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粘弹性流体基纳米流体湍流流动与换热特性研究

作　者: 阳倦成
导　师: 李凤臣
学　校: 哈尔滨工业大学
专　业: 工程热物理
关键词: 实验研究直接数值模拟粘弹性流体基纳米流体湍流减阻传热强化热扩散模型
分类号: O357.5
类　型: 博士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

在水中添加表面活性剂或者高分子聚合物能使其所形成的粘弹性流体在湍流状态下的流动摩擦阻力大幅降低，然而将其应用到具有换热单元的系统中会带来十分严重的传热恶化现象。在水中添加纳米尺度的高导热系数纳米颗粒并辅以一定的稳定剂所形成的纳米流体能增强换热系统中的对流换热特性，然而，由于固体颗粒的加入会带来额外的流动阻力。粘弹性流体的传热恶化问题以及纳米流体的流动阻力问题的解决是实现这两种流体在工程实际中应用的一个十分重要的课题。本文将从这一角度出发，结合粘弹性流体和纳米流体各自的优势，以期成功配制以粘弹性流体为基液的纳米流体并获得该种流体流动减阻和传热相对强化的效果。本文首先对实验所需的测量仪器以及自行搭建的圆管对流换热与流动阻力实验台进行了详细的介绍。而后，通过考虑纳米粒子的热扩散效应，推导了适用于纳米流体传热直接数值模拟的热扩散模型以及能量方程，并给出了直接数值模拟采用的方法。在实验方面，成功配制了较为稳定的以十六烷基三甲基氯化铵（CTAC）和水杨酸钠（NaSal）（1:1质量比）水溶液所形成的粘弹性流体为基液，以高导热系数的铜（Cu）纳米颗粒作为纳米粒子的纳米流体，称之为粘弹性流体基纳米流体（VFBN），并详细介绍了该种流体的制备方法。对VFBN的悬浮稳定性、导热系数、流变学特性以及表面张力进行了详细的实验研究，并通过对Li-Qu-Feng导热系数模型的改进获得了适用于球形铜纳米粒子和长棒状碳纳米管所形成的VFBN的导热系数预测理论模型。VFBN的导热系数测量结果表明该种流体导热系数明显高于水的导热系数，且导热系数随着铜纳米粒子体积分数和流体温度的增加而增大；VFBN的流变学性质测量结果表明该种流体与粘弹性流体基液相似，出现了粘度的剪切稀变特性，表现出获得流动减阻效果的可能性。在前期导热系数和流变学性质的测量基础上，采用圆管对流换热与流动阻力测试实验台，对水、粘弹性流体、水基纳米流体和VFBN的流动阻力和换热特性进行了测量。实验结果表明水基铜纳米流体流动相比水流动而言有明显的传热强化效果且传热效果随粒子体积分数和佩克莱特数（Pe）的增加而增大，而流动阻力增加并不明显。对于粘弹性流体流动而言，其流动具有传热恶化和流动减阻的特性，且传热恶化率大于流动减阻率，然而对添加Cu纳米粒子所形成的VFBN流动而言，Cu纳米粒子的加入对粘弹性流体基液的粘弹性现象有一定的削弱，但增强了其换热性能。通过对各种流体流动综合性能象限分布图分析可以发现，VFBN流动在具有湍流减阻效应的同时，还具有相比于粘弹性流体流动传热强化的效果，达到了本研究的预期目的。在理论研究方面，通过将计算结果与实验结果对比，确定了实验中铜纳米流体的扩散导热系数常数值。采用该种方法对纳米流体的流动和传热特性进行了直接数值模拟（DNS）。DNS计算得到的流体流动综合性能象限分布图趋势与实验基本一致。同时，通过对计算所得的各种流体的湍流速度场、温度场和变形场结果进行分析，并从动量方程和能量方程出发推导并计算了流体的流动阻力总贡献中的粘性贡献、湍流贡献和粘弹性贡献以及传热总贡献中的导热贡献、湍流贡献以及纳米粒子热扩散贡献，深入研究了VFBN流动减阻和传热强化的机理。最后，采用比拟理论，对各种流体的传热契尔顿-柯尔本因子和流动阻力系数的比值进行计算，结果再次表明以水和粘弹性流体为基液的纳米流体表现出了非常优异的传热性能。

全文目录

摘要  4-6
Abstract  6-9
符号表  9-18
第1章绪论  18-48
  1.1 课题研究背景及研究的目的和意义  18-22
    1.1.1 课题背景  18-22
    1.1.2 课题研究的目的和意义  22
  1.2 相关领域研究现状  22-46
    1.2.1 粘弹性流体研究  23-32
    1.2.2 纳米流体研究  32-45
    1.2.3 粘弹性流体基纳米流体研究  45-46
  1.3 本课题主要研究内容  46-48
第2章实验及数值模拟方法介绍  48-73
  2.1 引言  48
  2.2 导热系数测量方法及装置  48-49
  2.3 流体流变学特性测量装置  49-50
  2.4 表面张力测量装置  50-51
  2.5 流体流动与换热实验系统  51-60
    2.5.1 实验系统  51-55
    2.5.2 实验方法及注意事项  55-56
    2.5.3 实验数据处理方法  56-58
    2.5.4 实验误差分析  58-60
  2.6 数值模拟方法介绍  60-72
    2.6.1 纳米流体热扩散模型推导  60-63
    2.6.2 流动和传热控制方程  63-68
    2.6.3 数值计算方法  68-72
  2.7 本章小结  72-73
第3章粘弹性流体基纳米流体制备及物性测量  73-98
  3.1 引言  73
  3.2 流体制备方法  73-76
  3.3 流体稳定性分析  76-80
    3.3.1 静置悬浮稳定性  76-78
    3.3.2 微观尺度稳定性  78-80
  3.4 流体导热系数研究  80-88
    3.4.1 导热系数实验研究  80-85
    3.4.2 导热系数模型推导  85-88
  3.5 流体表面张力测量  88-90
  3.6 流体流变学性质测量  90-96
    3.6.1 剪切稀变特性  90-92
    3.6.2 剪切粘度  92-95
    3.6.3 粘弹性特性  95-96
  3.7 流体其他物性  96-97
    3.7.1 比热  97
    3.7.2 密度  97
  3.8 本章小结  97-98
第4章粘弹性流体基铜纳米流体湍流流动与换热特性实验研究  98-123
  4.1 引言  98
  4.2 实验系统的验证  98-101
    4.2.1 流动阻力  99-100
    4.2.2 换热系数  100-101
  4.3 实验工况  101-102
  4.4 流动阻力特性研究  102-109
    4.4.1 基液流动阻力特性  102-104
    4.4.2 水基铜纳米流体流动阻力特性  104-105
    4.4.3 粘弹性流体基铜纳米流体流动阻力特性  105-107
    4.4.4 温度对流体流动阻力特性的影响  107-109
  4.5 流动换热特性研究  109-117
    4.5.1 基液换热特性  109-110
    4.5.2 水基铜纳米流体换热特性  110-111
    4.5.3 粘弹性流体基铜纳米流体换热特性  111-114
    4.5.4 温度对流体换热特性的影响  114-117
  4.6 粘弹性流体基铜纳米流体综合性能分析  117-121
  4.7 本章小结  121-123
第5章粘弹性流体基铜纳米流体湍流流动与传热特性数值模拟研究  123-167
  5.1 引言  123
  5.2 计算模型、边界条件及网格无关性分析  123-128
    5.2.1 计算模型及边界条件  123-124
    5.2.2 网格无关性分析  124-128
  5.3 纳米流体扩散导热系数常数值研究及数值模拟计算工况  128-131
    5.3.1 纳米流体扩散导热系数常数值研究  128-129
    5.3.2 数值模拟计算工况  129-131
  5.4 流动与传热的平均量分析  131-139
    5.4.1 平均速度和减阻特性  131-135
    5.4.2 平均温度场和换热特性  135-138
    5.4.3 粘弹性流体基纳米流体综合性能分析  138-139
  5.5 流动与传热的脉动量分析  139-158
    5.5.1 速度和变形场  140-145
    5.5.2 雷诺剪切应力及速度场相关性  145-148
    5.5.3 温差脉动  148-151
    5.5.4 湍流热流及速度场和温度场相关性  151-158
  5.6 湍流减阻与传热强化机理分析  158-165
    5.6.1 流动阻力贡献  158-161
    5.6.2 流动传热贡献  161-165
  5.7 流动阻力与传热特征的比拟分析  165-166
  5.8 本章小结  166-167
结论与展望  167-170
参考文献  170-190
攻读学位期间发表的学术论文  190-193
致谢  193-194
个人简历  194

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