纳米流体在封闭腔内的自然对流传热特性研究

本项目拟对纳米流体在封闭腔内的自然对流传热特性进行实验与数值模拟研究。以常见传热工质水和乙二醇为基液制备含有不同纳米材料（金属、金属氧化物纳米颗粒以及碳纳米管）的纳米流体，并对纳米流体的稳定性进行评价。利用瞬态热线法和振动弦法测量纳米流体的表观导热系数和粘度，获得其随温度和纳米材料质量分数的变化规律。对纳米流体在不同几何结构及热边界条件的封闭腔内的定常和非定常自然对流进行系列实验研究，得到从层流到过渡区直至湍流的广泛的自然对流换热系数关联式。利用均相模型和多相流的离散相模型对纳米流体在封闭腔内的自然对流传热进行数值模拟，分析纳米颗粒与流体的相互作用关系以及对流动与传热特性的影响，并与实验结果进行对照，验证和探讨模型的适用性。本项目的研究结果将是对纳米流体热物性和热输运基础研究的有益补充，为纳米流体的工业应用提供实验依据。

热能的输运效率很大程度上取决于工质的热输运能力。为满足日益提高的热交换设备的传热负荷和传热强度等要求，试图将导热系数高的纳米流体地应用到工业实际中。与传统液固两相混合物相比，纳米流体中导热强化的机理比较复杂，研究纳米流体在流动状态下的传热机理以及应用基础的研究是非常重要的。本项目采用实验与数值模拟方法开展纳米流体在封闭腔内的自然对流传热研究。首先，较为详细地研究了纳米流体的热物理特性，对不同纳米流体的导热系数和粘度进行了测试，分析温度、纳米颗粒体积分数等因素对纳米流体热物性的影响；采用数值模拟的方法对纳米流体在封闭腔内的自然对流传热进行了分析，获得了不同Ra数下纳米流体平均Nu数与体积分数的关系；搭建了纳米流体自然对流实验台，进行了传热实验研究，实验结果表明添加纳米颗粒后纳米流体的传热性能受到导热系数和粘度变化的影响，两者对传热性能起相反的作用，因此纳米颗粒的添加对传热效果的提高存在一个最佳的条件。项目的研究结果是对纳米流体热物性和热输送基础研究的有益补充，为纳米流体在工业的应用提高了实验依据和技术参考。