热边界条件随时间周期性变化纳米流体自然对流换热特性的基础研究

Transient natural convection with time-periodic thermal boundary conditions exists in many engineering applications such as thermal usage of solar energy, cooling of electronic devices and so on.The study on how to enhance this type of natural convective heat transfer has the important academic value and engineering application value.Due to superior properties like high thermal conductivity of nanofluids, natural convection of nanofluids has received much attention.However, the immature theoretical model and the relatively few experimental studies that concern natural convective heat transfer in nanofluids lead to contradictory conclusions, thus leaving still unanswered the question if the use of nanoparticle suspensions for natural convection applications is actually advantageous with respect to pure liquids. In this project, by using the numerical simulation coupled with theoretical analysis and experimental study, we investigate the transient natural convetive heat trnasfer characteristics of nanofluids in enclosures with time-periodic thermal boundary conditions. In this study, the effects of Brownian motion,thermophoresis and variable thermophysical properties of nanofluids, also the effect of local thermal non-equilibrium between the nanopaticle and base fluid, on transient natural convective heat transfer of nanofluids are considered and explored. The results obtained by implementing this project have the important value to reveal the transient natural convection heat transfer characteristics, and it can also provide the theoretical support to the design and operation of the some relevant engineering applications of transient natural convection.

在太阳能热利用和电子元器件冷却等工程应用中广泛存在着因热边界条件随时间周期性变化引起的瞬态自然对流换热现象，研究如何强化此类自然对流换热具有重要的学术意义和工程应用价值。因为纳米流体具有较高的导热系数等特性，纳米流体自然对流的研究受到了较多关注，然而由于理论模型不成熟及实验研究较少，利用纳米流体是否能强化自然对流目前仍缺乏统一的定论，对其传递规律认识存在明显的不足。在热边界周期性变化条件下，本项目采用数值模拟、理论分析和实验研究相结合的方法并考虑纳米颗粒的布朗运动、热泳效应及纳米流体变物性特性，同时考虑纳米颗粒是否与基流体处于热平衡，对充满纳米流体腔体内的瞬态自然对流换热规律进行研究，探索热边界条件周期性变化、布朗运动等因素对纳米流体瞬态自然对流换热的影响机理。项目研究所获得的结果，对揭示纳米流体瞬态自然对流换热规律具有重要意义，也可为相关瞬态自然对流换热工程问题的设计、运行提供理论支撑。

热边界条件随时间周期性变化引起的瞬态自然对流换热具有广泛应用背景，如：电子元器件冷却和太阳能热利用等，强化此类自然对流换热是保证能源高效利用及相应设备安全运行的前提之一。研究表明，纳米流体具有较高的导热系数，它能够强化液体的传热性能，在许多领域具有广泛的应用前景。本项目主要对热边界条件随时间周期性变化纳米流体自然对流换热规律和纳米流体合成及热物性测定展开研究。主要的研究内容与成果如下：（1）对腔体内充满Cu-水纳米流体的非稳态自然对流换热进行了数值研究，结果表明在基液（水）中添加铜纳米颗粒可以使时均Nu数显著增加，而且随着铜纳米颗粒容积份额的增加，时均Nu数呈线性增加的趋势。（2）在考虑Brownian运动的基础上，对充满CuO-水纳米流体的二维方腔内的非稳态自然对流换热进行了数值研究。模拟结果表明，时均传热速率随纳米颗粒容积份额与Ra数的增加而增加；同时发现在考虑布朗运动的情况下，时均Nu数大于不考虑布朗运动时的时均Nu数。而考虑布朗运动时，当Ra数较小时，时均Nu数均随纳米颗粒容积份额的增大而增大，而Ra数较大时，存在最佳的纳米颗粒容积份额值，可使时均Nu数达到最大值。（3）在考虑Brownian运动的基础上，对充满CuO-水纳米流体的水平层的非稳态自然对流换热进行了数值研究。数值模拟结果表明，在Ra数较小时，时均传热速率随纳米颗粒容积份额的增加而减小；在Ra数较大时，不同体积分数纳米流体的时均Nu数均大于纯水的时均Nu数，而且存在一个最佳的纳米颗粒体积分数，使得时均Nu数达到最大值。此外，以柠檬酸钠为分散剂，KBH4为还原剂，CuSO4•5H2O为氧化剂，采用一步法直接合成了Cu-水导热纳米流体。TEM表征表明该导热纳米流体中Cu纳米粒子分散较均匀；经激光光散射仪粒度分析得其分散粒子平均尺寸为1.1 nm；在25℃时测得该导热纳米流体的导热系数为0.7812 W/(m•K)，比纯水的导热系数提高30%。本项目研究结果对深入认识热边界条件随时间周期性变化纳米流体自然对流换热规律具有重要学术价值，同时也可为今后的工程实践提供一定的理论参考。