过载环境下纳米流体强迫对流沸腾传热和流动特性研究

This project conducts the experimental and numerical investigations of the heat transfer and flow characteristics of forced convective boiling of nanofluids under supergravity. The experimental study, which makes use of a ground centrifugal machine to realize supergravity, will be the major approach for the project, with numerical simulation as an auxiliary method. The work of this project will find the new phenomena, characteristics, and mechanisms of the heat transfer and flow characteristics of forced convective boiling of nanofluids under supergravity, reveal the effects and the affecting mechanisms of the related parameters on the heat transfer and flow characteristics of forced convective boiling of nanofluids under supergravity, understand the mutual relations and the affecting mechanisms of the heat transfer and flow characteristics, find the effects and the affecting mechanisms of flow characteristics on frictional pressure drop, obtain the method of numerical simulation of the forced convective boiling of nanofluids under supergravity, and propose the correlations of the heat transfer and frictional pressure drop of nanofluid flow boiling under supergravity. The forced convective boiling of nanofluids under supergravity is a new research area, which has different law from and is more complicated than that under normal gravity. This project is expected to form a new growth point for heat and mass transfer discipline. Meanwhile, the forced convective boiling of nanofluids under supergravity has great application potential to aeronautical and astronautical fields, and it has unique advantage for aircraft which have maneuver flights. Therefore, this project is important to scientific development and aeronautical and astronautical industries.

本项目采取以实验研究为主，以数值模拟研究为辅的方法，开展过载环境下纳米流体管内强迫对流沸腾传热和流动特性研究。用地面转台实现实验过载环境。通过研究，发现纳米流体强迫对流沸腾传热和流动的一些新的现象、特性与机理；揭示有关影响因素对过载环境下纳米流体强迫对流沸腾传热和流动特性的影响作用和影响机理；弄清传热特性与流动特性相互间的作用关系和作用机理；探明流动特性对摩擦压降特性的影响作用与影响机理；获得过载环境下纳米流体流动沸腾数值模拟方法；提出适应于航空航天需求的传热和摩擦压降经验预测公式。过载环境下纳米流体强迫对流沸腾传热和流动特性复杂，规律特殊，是一个全新的空白研究领域。本项目研究可望形成传热传质新的学科生长点。同时，过载环境下纳米流体流动沸腾传热在航空航天领域有着很大的应用潜能，在有交替机动飞行动作的飞行器中更有优势。因此，本项目对于促进学科发展和我国航空航天事业的发展具有重要意义。

现代高性能飞行器使用高集成化、大功率、高热流密度的电子设备，急需质轻体小、高传热密度、高传热效率的冷却技术。纳米流体流动沸腾传热对解决这一难题具有很大的应用潜能，研究成果对于促进学科发展以及我国航空航天事业的发展具有重要意义。.主要研究内容：(1) 现有常重力环境下纳米流体和过载环境下常规流体沸腾传热研究相关文献的综合分析研究，从中获得了过载环境下纳米流体流动沸腾研究的思路和方法；(2)实验研究，包括过载环境下纳米流体池沸腾传热实验研究、流动沸腾传热与流动特性的实验研究、以及过载变化影响的实验研究；(3) 过载下纳米流体沸腾传热与流动特性的数值模拟研究。四年来，项目组成员孜孜以求，不懈努力，圆满完成了研究任务。.重要研究成果：(1) 发表了论文38篇，其中期刊论文21篇，会议论文17篇。其中，国际SCI论文13篇(Top期刊8篇)，国内核心期刊论文（含EI源期刊论文5篇）和国际会议论文8篇；另有2篇论文在投SCI期刊；(2) 申请发明专利2项；(3)专著《高等两相流与传热》2017年10月交稿，电子工业出版社出版中；(4)培养了研究生12名，包括博士毕业3名，硕士毕业9名（含3名已完成论文等待答辩）；在读博士研究生4名；1名青年教师锻炼成长为学术骨干；(5)开办了国际期刊《International Journal of Thermofluid Science and Technology》，已被Scopus收录。对比预期成果指标可见，本项目取得的研究成果已超出预期。.关键数据及其科学意义：(1) 跟踪研究了常重力和微重力环境下相关论文1000多篇，收集了沸腾传热、两相流摩擦压降、及流动冷凝实验数据8000多组，建立了强大的实验数据库；(2)通过自己实验，获得了不同重力条件下的沸腾传热和摩擦压降数据6000余组；在实验范围内揭示了过载环境下纳米流体沸腾传热的特性与机理；(3)利用商业软件开展了过载环境下纳米流体沸腾传热与流动特性的数值模拟，建立了过载环境下纳米流体沸腾传热流动数学模型。本项目研究成果为过载环境下多相流传热传质学科的发展做出了重要贡献。