强化换热管内纳米流体耦合传热特性及强化机理研究

In addition to the low heat transfer efficiency of the common heat transfer tube, the small thermal capacity and thermal conductivity of the traditional heat transfer medium all badly influence the promotion of the thermal efficiency of the heat-exchange equipment. In order to improve the thermal efficiency of the heat-exchange equipment, the research project combines the nanofluid with different nanoparticle structures and the enhanced heat transfer tube, applies them into the heat-exchange equipment, and investigates the coupled heat transfer characteristics and enhanced mechanisms of the nanofluid in enhanced heat transfer tube. The main research contents include: introduce the effects of nanoparticle structures into the nanoparticle interaction force model, and establish a higher precision nanoparticle interaction force model; couple the main nanoparticle interaction forces and the main structure parameters of the enhanced heat transfer tube, complete the reduced order of the high order complex turbulence model, and establish a lattice Boltzmann model of the turbulent flow and heat transfer characteristics of nanofluid in the enhanced heat transfer tube; investigate the interaction mechanisms and the distribution rules of nanoparticles; reveal the coupled heat transfer enhancement mechanisms between the nanoparticle interaction forces and the enhanced heat transfer tube structures; analyze the effects of nanoparticle structures on the stabilities, turbulent flow and heat transfer characteristics of nanofluid, and establish the evaluation system of heat transfer and dynamic characteristics. The research project plays an important role in enriching the study of the heat transfer enhancement mechanisms of nanofluid and promoting the application of nanofluid.

由于传统换热介质的热容量和导热系数较小以及普通换热管道的换热效率低下，严重影响换热设备换热效率的提升。本项目将不同颗粒结构的纳米流体与强化换热管相结合应用于换热设备中，对强化换热管内纳米流体耦合传热特性及强化机理进行研究，用于提高换热设备的换热效率。研究内容主要包括：将纳米颗粒微观结构的影响引入颗粒间相互作用力模型中，建立更高精度的纳米流体颗粒间相互作用力模型；耦合纳米颗粒间主要相互作用力和强化换热管主要结构参数，完成高阶复杂湍流模型的降阶处理，建立强化换热管内纳米流体湍流流动与传热的格子Boltzmann模型；研究纳米颗粒间的相互作用机理和纳米颗粒的分布规律；揭示纳米颗粒间相互作用力与强化换热管结构的耦合强化换热机理；分析纳米颗粒的微观结构对纳米流体稳定性和湍流流动与传热特性的影响，建立传热学与动力学特性的评价体系。该项目对于丰富纳米流体强化换热机理的研究、推动其应用有重要意义。

由于传统换热介质的热容量和导热系数较小以及普通换热设备的换热效率低下，严重影响换热设备换热效率的提升。本项目将纳米流体与不同强化结构的换热面相结合应用于光热转换、换热器、电子元件冷却等领域的换热设备中，对纳米流体与强化传热面的耦合传热特性及强化机理进行研究。针对光热转换的腔体，本项目建立了纳米流体流动与传热的两相格子Boltzmann模型，研究了纳米颗粒间的相互作用机理和纳米颗粒在腔体内的分布规律，揭示了纳米颗粒粒径对流动与传热的影响规律，结果发现布朗力的数量级远远大于颗粒间其它的作用力，在强化换热方面起着决定性的作用，纳米颗粒主要分布在腔体的上部或者中部，粒径越小越有利于强化传热，这对光热转换腔体内传热介质及工况的选择、传热机理的解释及强化传热的方向提供了一定的指导意义。针对换热器，本项目配制了不同种类的纳米流体，提出了一种基于紫外分光光度计的稳定性检测方法-透过比法，该方法是一种定量检测方法，与定性的沉淀法相比，具有更加准确的优势。本项目将配制的纳米流体与各种强化结构的换热管相结合，研究了不同结构的强化换热面、纳米颗粒组分对流动与传热的影响，发现强化结构与纳米流体的结合大大提升了换热效果，同时也大大增加了其流动阻力。为了能够客观、综合地评价这些强化技术，引入了火用效率，但是传统的火用效率需要针对每一个物理问题进行模型建立及公式推导，过程繁琐。本项目提出并建立了一种统一的火用效率评价准则图，与传统的火用效率评价相比，本项目的火用效率评价准则图适用范围更广，只要涉及到强化手段，该评价准则均可适用，并且不再需要单独推导和建模，这对于以后新的强化技术在能的品质上的综合评价有一定的指导意义。针对电子元件冷却，本项目研究了不同的强化换热面与纳米流体的结合，结果发现最大纳米颗粒组分的冷却效果不是最好，而是存在一个临界组分，这对于电子元器件冷却表面结构的设计、传热介质及工况的选择提供了一定的指导意义。