磁热对流效应强化蒸发冷却传热传质的机理研究

Evaporative cooling technology has the characteristics of energy saving, water saving and environmental protection. The method of using external magnetic field to strengthen heat and mass transfer is of significant meaning in scientific research and engineering. This project studies on the impact of convection-driven, interface shape and characteristics caused on vapor liquid phase by external magnetic field, and explores the mechanism of heat mass transfer enhanced. This project applies experimental study and numerical simulation to inspect the part in gas, liquid, and gas-liquid interface played by the layout of magnetic field intensity and magnetic field gradient, acquires the equation of the characteristics of gas-liquid surface, builds up the equation of flow and heat transfer, applies the field synergy principle to analyze the heat transfer strengthening mechanism under the function of external magnetic field on horizontal tube, and provides theoretical basis and guidance for improving heat transfer efficiency, exploring new energy saving method and application of evaporative cooling technology.

蒸发冷却技术具有节能、节水和环保的特点，利用外磁场强化蒸发冷却传热传质方法对科学研究和工程应用均具有重要意义。本项目拟研究外磁场对气液相变过程产生对流驱动和界面形状及特性的影响，揭示其强化传热传质的机理。通过实验研究和数值模拟考察磁场强度和磁场梯度的分布对气相、液相及气液界面的作用，获得表征气液界面表面特性的方程，建立外磁场力作用下的蒸发冷却流动与传热特征方程，采用场协同理论分析水平管外蒸发冷却在外加磁场力作用下的传热传质强化机理，为提高蒸发冷却技术的传热效率和探索新的蒸发冷却节能方法及应用提供基础理论依据和指导。

磁性纳米流体在外磁场作用下具有特殊的流动和传热特征，磁热对流回路作为一种无泵能量自主传递系统具有稳定性好，噪声小，不需维护等优点，又因为其本身以温差作为驱动条件，并通过对流传递热量，可做冷却回路用于散热领域。本项目针对磁性纳米流体的理论技术的研究背景，克服了传统冷却技术的不足，建立了磁性纳米流体热磁对流冷却冷却装置及其性能测试系统，对热磁冷却系统的强化传热过程与应用性能进行了深入系统研究。主要研究工作与成果包括以下几个方面：（1）建立以水为基液的磁性纳米流体Fe3O4-H2O对流换热特性实验系统，实验结果表明：外磁场对磁性纳米流体的对流换热过程的影响非常明显，当磁场方向与流体的运动方向一致时，外磁场强化了对流换热过程；对流换热系数随着磁场强度的增加而增大；外磁场力对低流速的流体对流换热过程影响比对高流速的更明显；Fe3O4-H2O纳米流体存着最佳的质量分数范围为0.6~0.8%，可明显强化纳米流体的对流换热性能；在流体入口段由流体速度梯度和颗粒浓度的变化引起磁场梯度的剧烈变化，加剧了颗粒的运动，边界层热阻减小，显著提高了入口段对流换热系数，其对流换热系数提高约22%。（2）建立磁性纳米制冷剂Fe3O4-R600a 冷却回路的热磁对流特性实验系统，实验结果表明：回路中的磁流体循环流动和传热性能取决于外磁场的温度的协同作用，合理的冷、热源的位置与磁场分布，有助于提高回路的传热性能；回路中磁热对流的强弱不但取决于磁场和温度场本身，还取决于磁源与冷（热）源的相对位置，当冷（热）源、磁场固定时，尽量选择靠近冷源一侧或者热源一侧的位置，可以获得最大的磁场力和对流传热性能；冷却温度对回路中流体磁化强度的不平衡性影响较小；流体的流速随加热功率的增加而增大，但稳定后的平衡温度也相应升高，当磁流体温度超过沸点温度后，传热性能下降。（3）从系统结构和性能影响参数方面进行了优化分析，针对各种影响参数之间复杂的耦合关系，采用场协同理论，结合数值模拟方法，计算并分析磁流体在回路中的能量自主传递特性，揭示其控制方法的物理机制，并对热磁冷却系统进行优化，获得最佳的性能参数。本项目磁性纳米流体冷却系统强化传热特性的研究成果为强化传热技术的应用打下了坚实的理论基础，丰富了磁性纳米流体热磁对流换热的理论体系，并指明了方向。