（材料学专业论文）纳米流体强化热管内部传热机理研究.pdf

s t u d yo nm e c h a n i s m o fe n h a n c e m e n to fh e a t t r a n s f e rp e r f o r m a n c ef o rh e a tp i p eu s i n gn a n o f l u i d l id o n g d o n g u n d e rt h es u p e r v i s i o no f p r o f z h a ow e i l i n at h e s i ss u b m i t t e dt ot h eu n i v e r s i t yo fj i n a n i np a r t i a lf u l f d l m e n to f t h er e q u i r e m e n t s f o rt h ed e g r e eo fm a s t e ro fe n g i n e e r i n g u n i v e r s i t yo f j i n a n j i n a n ，s h a n d o n g ，p r c h i n a m a y2 8 ，2 0 1 1 啡2川2洲53川88iii1刚y ll 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本 论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。 对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方 式标明。本人完全意识到本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：窟聋j 盔、 日期： 测厶；吕 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解济南大学有关保留、使用学位论文的规定，同 意学校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借鉴；本人授权济南大学可以将学位论文 的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩 印或其他复制手段保存论文和汇编本学位论文。 口公开 口保密(年，解密后应遵守此规定) 论文作者签名涩暾导师签名：抛日期：z o 2 9 济南人学硕l - 7 ：位论文 目录 摘要i i i a 】j ；s t r a c t v 第一章绪论l 1 1 引言1 1 2 纳米流体传热性能研究现状2 1 2 1 纳米流体导热系数研究2 1 2 2 纳米流体对流换热性能研究3 1 2 3 纳米流体沸腾换热性能研究4 1 2 4 纳米流体临界热流密度性能的研究6 1 2 5 纳米流体应用于热管的传热性能研究7 1 3 本课题的主要研究内容9 第二章纳米流体的制备1 1 2 1 实验原料和仪器1 1 2 1 1 实验原料1 1 2 1 2 实验仪器1 3 2 2 纳米流体的制备过程1 3 第三章实验装置与设备1 6 3 1 热管的制造过程1 7 3 2 热电偶校正1 9 3 3 实验装置1 9 第四章纳米流体热管的传热性能研究2 1 4 1c u o 一水纳米流体热管的传热性能研究2 1 4 1 1c u o 水纳米流体热管的启动过程2 l 4 1 2c u o 水纳米流体热管的壁温分布：2 4 4 1 3c u o 水纳米流体热管的换热系数2 7 4 1 4c u o 水纳米流体热管的总热阻2 8 4 2a 1 2 0 3 水纳米流体热管的传热性能研究3 0 4 2 1 触2 0 3 水纳米流体热管的启动过程3 0 纳米流体强化热管内部传热机理研究 4 2 2a 1 2 0 3 水纳米流体热管的壁温分布3 3 4 2 - 3a 1 2 0 3 水纳米流体热管的换热系数3 5 4 2 4a | 2 0 3 一水纳米流体热管的总热阻3 6 4 3s i 0 2 水纳米流体热管的传热性能研究3 7 4 3 1s i 0 2 水纳米流体热管的启动过程3 7 4 3 2s i 0 2 一水纳米流体热管的壁温分布3 9 4 3 3s i 0 2 水纳米流体热管的换热系数3 9 4 3 4s i 0 2 水纳米流体热管的总热阻4 0 4 4 本章小结4 1 第五章纳米流体强化热管内部传热机理研究4 2 5 1 纳米流体的热传导性能4 2 5 1 1 纳米流体强化热传导机理4 2 5 1 1 纳米流体导热系数模型。：4 5 5 2 纳米流体的对流换热性能4 9 5 3 本章小结：5 2 第六章结论与展望5 3 6 1 结论5 3 6 2 展望5 4 参考文献5 5 致谢6 0 附勇专6 l 一、在校期间发表的学术论文6 1 二、在校期间参加的项目6 l 济南大学硕f j 学f t 论文 曼曼曼! 皇曼曼曼曼曼量曼曼曼曼m mi 一, !m j 皇曼曼曼曼蔓蔓皇曼量 摘要 纳米流体是指以一定的方式和比例，在液体介质中添加纳米级的金属或非金 属固体颗粒而形成的一类新型的传热工质。与纯液体相比，纳米流体具有较高的 导热系数，且比微米或毫米级的固体颗粒更易悬浮在基液中。因此，将纳米流体 取代传统的换热工质加入到热管中，可以显著提高热管的传热性能。 本文研究了c u o 水、a 1 2 0 3 水和s i 0 2 一水三种纳米流体热管的传热性能，并 从纳米流体的热传导性能与纳米流体热管的对流换热性能两个方面对纳米流体 强化热管内部的传热机理进行分析，旨在对纳米流体在热能工程领域的应用进行 探索，拓展热管换热性能强化的途径。 本文的研究内容主要包括： 1 、采用两步法制备了c u o 水、a 1 2 0 3 水和s i 0 2 水三种纳米流体，通过超 声振动调节纳米流体的分散稳定性。实验结果表明，纳米流体的悬浮稳定性很好。 2 、将制备好的纳米流体添加到热管中，制成了纳米流体热管。建立了一套 测试纳米流体热管传热性能的实验装置，对纳米流体热管的启动过程、管壁温度、 换热系数和热阻进行研究。结果表明，纳米流体热管的传热性能与纳米流体的质 量浓度、颗粒粒径以及加热功率等因素有关。随着纳米流体的添加，热管蒸发段 的启动时间缩短，启动温度降低；在相同加热功率下，与水热管相比，纳米流体 热管蒸发段的壁温显著降低，而冷凝段的壁温显著升高，且纳米流体热管具有较 好的等温性能；纳米流体热管的换热系数比水热管高，而热阻比水热管低；存在 一个最佳的质量浓度，在此浓度下，纳米流体热管等温性能较好，且具有较高的 换热系数与较低的热阻，对于c u o 一水和a 1 2 0 3 水纳米流体来说，最佳质量浓度 是1 o 。 3 、对纳米流体强化热管传热性能的机理进行了探讨。纳米流体添加到热管 之中，显著提高了基液的热传导性能，强化了热管的对流换热性能，从而解释了 纳米流体强化热管传热性能的内部原因。 关键词：纳米流体，热管，强化传热，机理 l l- 济南人学硕l ：学f 矗论文 a b s t r a c t n a n o f l u i di san e wc l a s so fh e a tt r a n s f e rf l u i dw h i c hc o n t a i n i n gs u s p e n d e d m e t a l l i co rn o n m e t a l l i cn a n o p a r t i c l e si nt r a d i t i o n a lf u i d c o m p a r e dw i t hp u r el i q u i d ， n a n o f l u i dh a st h ea d v a n t a g eo fb e r e rt h e r m a lc o n d u c t i v i t y ，a n dm o r ee a s i l yt ob e s u s p e n d e di nb a s ef l u i dt h a nt h a to f m i c r o no rm i l l i m e t e rp a r t i c l e s s ow ec a ne x p e c t t h a ta d d i n gn a n o f l u i di nh e a tp i p ei n s t e a do fc o n v e n t i o n a lh e a tt r a n s f e rf l u i dc a n s i g n i f i c a n t l yi m p r o v et h eh e a tt r a n s f e rp e r f o r m a n c e o f h e a tp i p e t h i sp a p e rp r e s e n t st h eh e a tt r a n s f e rp e r f o r m a n c eo ft h eh e a tp i p eu s i n g c u o w a t e r , a 1 2 0 3 w a t e ra n ds i 0 2 - w a t e rn a n o f l u i d t h eh e a tt r a n s f e re n h a n c e m e n t m e c h a n i s mo fh e a tp i p eh a sb e e nd i s c u s s e df r o mt h e r m a lc o n d u c t i v i t yo fn a n o f l u i d a n dc o n v e c t i o nh e a tt r a n s f e rp r o p e r t i e so fh e a tp i p ew i t hn a n o f l u i d t h i ss t u d yw a s d e s i g n e dt oe x p l o r et h eu s i n go fn a n o f l u i di nt h e r m a le n g i n e e r i n ga n db r o a dt h e a p p r o a c ho fe n h a n c i n g h e a tt r a n s f e rp e r f o r m a n c eo fh e a tp i p e t h em a i nc o n t e n t sa r ep r e s e n t e da sf o l l o w s ： 1 t h r e et y p e so fn a n o f l u i di n c l u d i n gc u o - w a t e r , a 1 2 0 3 - w a t e ra n ds i 0 2 。w a t e r n a n o f l u i dw e r ep r e p a r e dw i t hat w os t e pm e t h o d u l t r a s o n i cv i b r a t i o nw a su s e dt o a d j u s tt h ed i s p e r s i o ns t a b i l i t yo fn a n o f l u i d e x p e r i m e n t a lr e s u l t s s h o w e dag o o d s u s p e n s i o ns t a b i l i t yo fn a n o f l u i d 2 t h eh e a tp i p ew a sm a d ea f t e rn a n o f l u i dw a sa d d e di n t oi t a ne x p e r i m e n t a ls e t u p u s e df o rt e s t i n gt h eh e a tt r a n s f e rp e r f o r m a n c eo fn a n o f u i dw a sa s s e m b l e d t h e s t a r t - u pp r o c e s s ，w a l lt e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o n , h e a tt r a n s f e rc o e f f i c i e n ta n dt h e r m a l r e s i s t a n c eh a v eb e e ni n v e s t i g a t e de x p e r i m e n t a l l y t h er e s u l t ss h o w e dt h a tt h eh e a t t r a n s f e rp e r f o r m a n c eo fh e a tp i p ei sa f f e c t e db yt h em a s sc o n c e n t r a t i o no fn a n o f l u i d ， p a r t i c l es i z ea n di n p u tp o w e re t c t h eu s e o fn a n o f l u i dh o l das h o r t e rs t a r t u pt i m ea n d l o w e rs t a r t u pt e m p e r a t u r ef o rt h ee v a p o r a t i o ns e c t i o no ft h eh e a tp i p ec o m p a r e dt o w a t e r t h ew a l lt e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o no ft h eh e a tp i p eu s i n gn a n o f l u i di s s i g n i f i c a n t l yl o w e rt h a n t h a to fw a t e ra l o n gt h ee v a p o r a t i o ns e c t i o n ，w h i l ei t s s i g n i f i c a n t l yh i g h e rt h a nt h a to fw a t e ra l o n gt h ec o n d e n s e rs e c t i o nu n d e rt h es a m e v i n p u tp o w e r t h eh e a tp i p eu s i n gn a n o f l u i ds h o w sab e t t e ri s o t h e r m a lp e r f o r m a n c e t h a nt h a to fw a t e r t h eh e a t p i p eu s i n gn a n o f l u i dh o l dah i g h e l h e a tt r a n s f e r c o e f f i c i e n ta n dl o w e rt h e r m a lr e s i s t a n c ec o m p a r e dt ow a t e r t h e r ei sa no p t i m a lm a s s c o n c e n t r a t i o nf o rn a n o f l u i d t h eh e a tp i p e u s i n gn a n o f l u i dh a sab e t t e ri s o t h e r m a l p e r f o r m a n c e , h i g h e rh e a tt r a n s f e rc o e f f i c i e n ta n dl o w e rt h e r m a lr e s i s t a n c ea tm i s c o n c e n t r a t i o n t h i sc o n c e n t r a t i o ni s1 o a n d1 0 f o rc u o w a t e ra n da 1 2 0 3 w a t e r n a n o f l u i d ，r e s p e c t i v e l y 3 t h eh e a tt r a n s f e re n h a n c e m e n tm e c h a n i s mo f h e a tp i p ew a sd i s c u s s e d t h eu s e o fn a n o f l m dh a ss i g n i f i c a n t l yi n c r e a s e dt h e r m a l c o n d u c t i v i t ya n de n h a n c e dm e c o n v e c t i o nh e a tt r a n s f e rp r o p e r t i e so fh e a tp i p e t h i se x p l a i n st h ei n t e r n a lr e a s o n so f h e a tt r a n s f e re n h a n c e m e n to fh e a tp i p e u s i n gn a n o f l u i d k e yw o r d s ：n a n o f l u i d ，h e a tp i p e ，h e a tt r a n s f e re n h a n c e m e n t ，m e c h a n i s m v i 济南人学硕t 学位论炙 i i 一 i 曼! 曼曼曼曼! 曼曼曼曼曼! 曼曼曼曼! ! ! 曼! ! 曼! ! ! ! ! 曼! 皇曼量曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼! ! 曼蔓曼曼! 皇曼曼! 曼曼曼曼! 曼曼曼! 曼! 曼曼曼 1 1 引言 第一章绪论 热管是当今世界使用的较为普遍的一种高效换热元件，已被广泛地应用于航 空航天、冶金、化工等各个行业。热管的典型结构如图1 1 所示。热管的一端为 蒸发段，另一端为冷凝段，中间为绝热段。当蒸发段受热时，毛细吸液芯内的液 体蒸发，蒸汽在微小的压差下流向冷凝段放出热量凝结成液体。液体依靠毛细力 的作用再流回蒸发段。如此循环完成热量的传递过程。热管的工作原理决定了它 具有导热性能高、等温性能好、热流密度可变、环境适应能力强的特点以及热流 方向可逆等优良性能。 管壁吸液芯 彩勿勿钐；么；勿勿髟彩勿勿j j 2 ；i ；j ；殇 。一一一一一一一，z ， ttt tti i j 上上上上 i 蒸发段。1 绝执段。1 冷凝段 。 图1 1 热管典型结构 f i g 1 1t y p i c a ls t r u c t u r eo f h e a tp i p e 蒸汽腔 为进一步提高热管的传热性能，m a 啦】首次将金刚石纳米流体加入到热管中， 发现纳米流体的添加降低了热管蒸发段和冷凝段的温差，显著改善了热管的传热 性能。由此，开创了纳米流体应用于热管的研究热潮。 所谓纳米流体是指以一定的方式和比例在传统液体( 水、乙醇、油) d o 添加金 属或非金属纳米粒子，所形成一种新型的换热介质，这个概念是由c h o i 3 】于1 9 9 5 年首次提出的。纳米流体之所以受到广泛的关注是因为与传统换热工质相比纳米 流体具有独特的优异性能，主要包括较高的导热系数、较低的传热热阻以及良好 的悬浮稳定性等。 纳水流休强化热管内部传热机理研究 目前，国内外对纳米流体的研究主要集中在热导率、对流和沸腾换热及临界 热流密度方面。普遍的研究结果表明，纳米流体可以显著提高基液的导热系数和 对流换热性能，并且可以显著提高临界热流密度，而在沸腾换热方面研究的结果 存在较大的分歧。到现在为止，国内外对纳米流体应用于热管的研究主要集中在 热管在蒸发段的轴相热流率、传热系数及管壁温度等方面，而对纳米流体应用于 热管内部传热机理的分析却不多见。因此，将纳米流体应用于热管尚需大量研究 要做。 本文是在前人研究的基础上进一步对纳米流体的导热性能进行研究，尝试将 c u o 水、a 1 2 0 3 一水和s i 0 2 水三种纳米流体加入到热管中，以纯水热管作为对比， 测量其对热管的启动过程、管壁温度、换热系数以及热阻等方面的改善情况，探 索纳米流体这一新型的换热工质对热管传热性能的强化作用。并以此为载体，对 热管中纳米流体强化传热的机理予以探讨，以期对纳米流体改善热管传热性能及 其机理做进一步的了解。 1 2 纳米流体传热性能研究现状 纳米流体在传热领域引起了研究者们广泛的关注，本文将从纳米流体的导热 系数、对流换热、沸腾换热、临界热流密度及纳米流体在热管中的应用等方面介 绍国内外纳米流体传热的研究进展状况。 1 2 1 纳米流体导热系数研究 e a s t m a n 等【4 1 研究了体积分数为0 3 ，颗粒粒径为1 0 n m 的c u 乙二醇纳米流体 的导热系数，发现纳米流体导热系数比乙二醇提高4 0 以上；而对于体积分数为 2 的c u 水纳米流体在相同雷诺数的管内流条件下的换热系数提高了6 0 左右。 h e 等【5 】通过实验测定s i 0 2 水纳米流体导热系数，发现导热系数随纳米粒子 百分数的增加而增加，而其导热系数与纳米粒子的百分比成非线性关系，导致非 线性关系的原因目前还不明确，仍待进一步研究。 k e b l i n s k i 与c h o i 等【6 】分析了四个因素包括纳米颗粒在基液中的布朗运动、纳 米颗粒表面吸附的薄液层、纳米颗粒内部热载子弹性散射以及纳米颗粒团聚对纳 米流体导热系数强化的作用机理。 2 济南人学硕卜学位论文 曼曼! 曼曼曼曼i i iim。ii h o n g l 7 1 利用外加磁场法提高纳米流体的传热系数，在水中添加体积分数为 0 0 2 的f e 2 0 3 纳米粒子和0 0 1 碳纳米管，将十二烷基苯磺酸钠作为分散剂可使 纳米流体的导热系数提高5 0 。 x u a n 等【8 】研究了体积分数为2 5 - - - 7 5 的c u 水纳米流体以月桂酸酯作为分 散剂的导热系数，其导热系数可以提高2 4 7 8 ；以变压器油为基液，体积分 数为2 5 时，其导热系数可以提高1 0 3 0 。 z h o u 等【9 1 研究发现，体积分数为0 4 的c u o 水纳米流体的导热系数比水提 高了1 7 ；而以乙烯基乙醇为基液形成的体积分数为0 3 的纳米流体，其导热 系数比基液提高了4 0 左右。 l i u t l 0 1 研究了体积分数为l 5 的c u o 乙二醇纳米流体的导热系数，结果 表明，其导热系数分别比水提高4 0 2 2 4 。 谢华清 1 j 】通过对碳纳米管添加到多种基体液体中制备成的纳米流体的导热 系数的研究发现，纳米流体的导热系数随纳米管含量的增加而增加，随基液导热 系数的增加而减小。 彭小飞，俞小莉等【1 2 】通过对a 1 2 0 3 水纳米流体的导热系数的研究发现，纳米 流体的导热系数随着体积份额的增大而增大，随着粒子粒径减小而增大。 1 2 2 纳米流体对流换热性能研究 h e f t s 等【1 3 】对圆管内a 1 2 0 3 水纳米流体在层流状态下的对流换热性能进行了 研究，发现其对流换热系数与雷诺数、纳米颗粒的体积分数成正比，由此认为热 传导的增强除了是由于纳米流体对传热的强化作用之外，还可能与纳米颗粒的布 朗运动、纳米粒子的分散性以及粒子移动等因素有关。 p u t r a 等【1 4 】研究发现c u o 水纳米流体的对流换热系数呈下降趋势，并认为这 是由于流体粘性的增大超过了导热系数与颗粒运动对对流换热的增强效果。 p a k 等【1 5 】通过对a 1 2 0 3 水在湍流状态下的对流换热系数的测定发现，在相同 r e 下其对流换热系数远大于水，而且随着纳米颗粒体积分数的增大而增大，作者 认为纳米粒子的属性是影响传热性能的重要因素。 f a u l k n e r 等【l6 】研究发现，碳纳米管水纳米流体的对流换热在较低雷诺数下系 统中存在一个拟湍流区，从而强化了传热；但是随着颗粒体积分数的增加，可能 3 纳米流体强化热管内部传热机理研究 会出现传热恶化的现象。 h e 等研究了s i 0 2 水纳米流体对流换热性能，对流换热系数随着纳米粒子 的体积分数的增加而增大，且在湍流状态下提高的幅度比层流状态下大。 李强，宣益民【18 1 分别测定了0 3 、o 5 、0 8 、1 、1 2 的c u 水纳米流 体强制对流换热系数，结果表明，纳米颗粒的加入增大了液体的管内对流换热系 数，粒子的体积份额是影响纳米流体对流换热系数的主要因素之一。 w e n 等通过对a 1 2 0 3 水纳米流体在层流条件下的对流换热情况的研究发 现，对流传热系数的强化除了受到导热系数的影响之外，雷诺数和颗粒体积分数 的影响更加明显，而且离进口越近，强化效果越显著。 d i n g 等t 2 0 1 研究发现多壁碳纳米管一水纳米流体的对流换热强化效果处的轴向 位置随着雷诺数和纳米管体积分数的增加而增加。 陈骁等【2 1 1 对c u o 水纳米流体的对流换热性能的研究发现，其n u 随着纳米颗 粒质量分数的增大而增大；管径越小，纳米流体从层流向湍流转变的r e 越小；流 动从层流转向湍流，强化效果明显提高。 谢华清掣2 2 1 通过对a 1 2 0 3 水纳米流体平均对流换热系数的研究发现，平均对 流换热系数随r e 的变化关系与流动状态有关，并指出纳米流体强化对流换热的两 大因素分别是流动过程中纳米颗粒的热散射及纳米流体热物性的改变。 1 2 3 纳米流体沸腾换热性能研究 d a s 等对a 1 2 0 3 水纳米流体池沸腾换热特性进行了研究，所使用的纳米流 体的体积分数分别为1 、2 和4 ，结果发现在同样的热流密度下，核态沸腾换 热系数降低，且弱化程度随着纳米颗粒浓度的提高而提高。 t u 等【冽研究了粒径为3 8 n m ，纳米流体浓度为3 7 x 1 0 6 的a 1 2 0 3 一水纳米流体的 池沸腾状况，结果发现，热流密度为2 1 2k w m 2 时，a 1 2 0 3 水纳米流体沸腾所需 的平均和最大过热度分别比水降低- j 6 0 8 和1 1 0 ，汽化核心的数目增加4 倍。 p a r k 【2 5 】研究了不同体积分数的碳纳米管纳米流体的沸腾换热系数，结果发 现，流体沸腾换热系数比纯水的低。 v i s i n e et f i s a k s f i l 2 6 1 对体积分数分别为0 0 1 ，o 0 3 和0 0 5 的t i 0 2 水纳米流体 的沸腾换热性能进行了研究，结果发现，核态沸腾换热系数发生了恶化现象，核 4 济南人学硕l 学位论文 皇曼曼曼! 曼曼曼曼曼曼曼寰曼曼曼! 曼! 曼曼曼曼! 曼曼曼曼曼曼曼蔓曼量曼曼曼i 曼曼! 曼! ! ! 皇蔓曼曼曼曼曼曼! 曼曼曼蔓曼曼! 曼曼鼍曼! 曼! 曼曼曼曼曼 态沸腾换热系数随着体积分数的增大而降低，压力在低浓度对纳米流体的影响要 比高浓度时显著。 s a i d es o l t a n i 2 7 】分别测试- j s n 0 2 水与a 1 2 0 3 一水纳米流体的沸腾换热系数，结 果表明，s n 0 2 水纳米流体的沸腾换热系数在浓度较低时较小，而沸腾换热系数 在浓度高于0 5 w t 时会大于基液；a 1 2 0 3 一水纳米流体的沸腾换热系数随着浓度的 增大而升高。 m a n o jc h o p k a r 2 8 删z r 0 2 水纳米流体的池沸腾换热性能的研究发现，在 低浓度下纳米流体沸腾换热系数有所提高，但随着浓度的提高沸腾换热系数呈下 降的趋势，达到一定浓度时甚至会低于水。 d a s 等【2 明对a 1 2 0 3 水纳米流体中纳米粒径及换热表面对池沸腾换热的影响进 行了研究，当纳米颗粒粒径与传热表面粗糙度接近时，传热性能恶化；而当纳米 颗粒粒径与传热表面粗糙度相差较大时，纳米流体浓度对换热性能的贡献大于汽 化核心数目减少所致造成的传热恶化现象，从而使传热性能提高。 吕伦春，刘振华对大气压下c u o 一水纳米流体的自然对流沸腾特性进行了 实验研究，结果表明，随着纳米流体浓度的增加，纳米流体的沸腾特性比纯水有 所劣化。 b a n g 等【3 l 】对体积分数分别为0 5 、1 、2 和4 的a 1 2 0 3 一水纳米流体在平板 上的池沸腾换热特性进行了研究，纳米颗粒的平均直径为4 7 n m ，实验结果发现， 核沸腾条件下，换热恶化，且随着纳米流体浓度的提高而更加恶化，这与d a s 结 果一致。 w e n 等3 2 】对质量浓度分别为0 3 2 、0 7 1 、0 9 5 和1 2 5 的a 1 2 0 3 水纳米流 体池沸腾状况进行了研究，结果发现，纳米颗粒可显著提高流体的换热性能，并 且提高的程度随着颗粒浓度的增加而增大，相对于导热系数的提高程度，沸腾换 热系数的提高更大。这与上述许多研究者的研究结果相违背，实验中没有观测到 颗粒的沉积现象，作者认为这也许是强化传热的主要原因。 帅美琴，施明恒掣3 3 】通过对f e 与a 1 2 0 3 纳米流体池内沸腾的实验研究验证了 对基液沸腾换热的影响所存在的2 个相反的作用机制。这两种作用机制为：纳米 颗粒的加入对基液热物性的影响以及纳米颗粒的加入对加热面结构的改变。纳米 颗粒悬浮液池内沸腾换热强化与否，是这两方面因素综合作用的结果。 5 纳米流体强化热管内部传热机理研究 刘振华，廖亮3 4 1 在水和乙醇中分别添加c u o 和s i 0 2 两种纳米颗粒，使用s d b s 做为扩散剂，对纳米流体的池内沸腾换热特性进行实验研究，实验结果表明，添 加扩散剂的水基纳米流体在大气压下池内沸腾时会出现传热面烧结现象；没有添 加扩散剂的水基纳米颗粒悬浮液在大气压下池内沸腾时不会出现传热面烧结结 垢现象。 周定伟研究了浓度分别为0 1 3 3 9 l 、0 2 6 7 9 l 和o 4 0 0 9 l ，常压下c u 丙酮 纳米流体池沸腾的换热状况，结果表明，在单向对流换热区，纳米颗粒的添加会 使传热强化；在核态沸腾区，无声空场条件下会使沸腾换热系数降低，但浓度为 o 1 3 3 9 l 和0 2 6 7 9 l 的纳米悬浮液的沸腾换热系数基本相同。 李春辉州研究了质量浓度为o 0 5 、0 2 、0 3 5 和0 5 1 拘s i 0 2 水纳米流体 池沸腾状况，结果发现，纳米流体沸腾所需的过热度随着纳米颗粒浓度的增大而 增加。 1 2 4 纳米流体临界热流密度性能的研究 y o u 等【3 刀研究t a l 2 0 3 水纳米流体的池沸腾性能，纳米流体浓度分别为 0 0 0 1 9 l 、0 0 0 5 9 l 、o o l g l 、o 0 2 5 9 l 和0 0 5 9 l ，实验结果表明，与纯水相比， 纳米流体c h f 提高很大，当颗粒浓度达到o 0 2 5 9 l 时，纳米流体c h f 有近2 0 0 的 提高；在小浓度阶段，随着纳米颗粒浓度的提高，临界热流密度提高程度逐渐增 大，但是当浓度超过0 0 1 9 l 以后，提高程度不变。 k i m t 3 8 1 对t i 0 2 水、a 1 2 0 3 水和s i 0 2 水纳米流体c h f 进行t a j j 试，结果发现相 对于纯水来说，临界热流密度得到了很大程度的提高。 m i l a n o v a 等【3 9 】在考虑了颗粒尺度、体积分数、p h 值和离子浓度对沸腾换热 性能影响的基础上，对s i 0 2 水纳米流体的沸腾特性进行了研究，结果发现，在 特定的酸度和颗粒半径下，纳米流体的c h f 与纯水相比可提高3 倍。 吕伦春，刘振华【加】对底部封闭细小圆管内的c u o 水纳米流体的沸腾特性以 及临界热通量进行了实验研究，结果表明，纳米流体的沸腾特性有所劣化，纳米 流体的c h f 与水相比有显著增加，并对纳米流体在底部封闭管内沸腾时的c h f 公 式进行了预测。 赵杰等【4 1 】通过对多壁碳纳米管水纳米流体的沸腾换热特性与临界热通量的 6 济i i j 大学坝f j 学位论文 i ! 曼曼曼曼鼍曼曼皇曼曼曼曼曼曼皇曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼皇曼鼍曼皇曼! 曼曼曼曼皇曼曼! ! 曼曼曼皇曼蔓曼曼曼曼曼! ! 曼曼曼曼! 曼 研究发现，多壁碳纳米管水纳米流体可以显著强化重力型平板热管的换热特性； 沸腾换热系数强化率和c h f 强化率随压力降低而大幅度增加；其中，悬浮液质量 浓度也是沸腾换热系数和c h f 的重要影响因素。 1 2 5 纳米流体应用于热管的传热性能研究 l e e 和m u d a w a r i 4 2 】对a 1 2 0 3 水纳米流体微管道体系进行了研究，发现高热导 率的纳米流体可以提高单相流传热系数，纳米流体对微管道体系的传热强化作用 非常显著。 r h is e o kh o 等【4 3 】对体积分数为0 0 0 5 、0 0 0 7 、0 0 1 、0 0 3 、0 0 5 、 0 0 7 、0 1 ，颗粒粒径为1 0 n m 的a g 水纳米流体两相回路热虹吸管进行实验研 究，结果发现，纳米流体热管的传热系数比水热管提高了5 5 倍，并且随纳米粒 子体积分数的增加而增加。 p a r kkh 等人【删研究了填充率为4 0 的a g - 水纳米流体热管的传热性能，实 验结果表明，纳米流体热管比水热管在传热性能上有很大的强化作用。 w e iwc 等人【4 5 ，4 6 ，4 7 】对颗粒粒径分别为10 n m 和3 5 r i m 的a g 纳米流体在沟槽式 圆形热管中的传热性能进行了实验研究，结果发现j 纳米流体热管的平均热阻比 水热管的降低3 0 0 0 - - - 8 0 ，而且热阻会随着纳米颗粒粒径与浓度的增加而降低。 对浓度为l 、1 0 、1 0 0 m l 的a g 纳米流体进行实验【4 8 】，发现输入功率为3 叽5 0 w 时， 同样填充率的纳米流体热管的温差比纯水热管降低o 5 6 5 。 k a n g 等 4 9 1 通过对相同充填率下，加热功率为3 0 “0 w 时的银纳米流体热管与 水热管的实验对比发现，纳米流体热管的平均热阻比水热管的热阻减少 3 0 8 0 ，而且热阻随着银纳米颗粒直径和浓度的增加而降低。 t s a icy 等人【5 0 1 对外径为6 m m ，长度为1 7 0 m m 的a i u 水纳米流体铜热管的传 热热阻进行了研究，结果表明，a u 水纳米流体热管的热阻比水热管的热阻明显 降低；并且热管的热阻与a u 纳米颗粒的大小有关。 c h i e nht 等人【5 】对体积分数分别是0 17 和9 7 的a u 一水纳米流体铜热管和 碳纳米球水纳米流体铜热管进行了实验研究，结果发现，a u 一水纳米流体铜热管 比纯水热管的热阻平均降低3 0 ，而碳纳米球水纳米流体铜热管的热阻比纯水 热管的热阻增加了1 5 。 7 纳米流体强化热管内部传热机理研 黄素逸掣5 2 1 在热管中 j 1 1 x , a 1 2 0 3 纳米颗粒，实验发现，与普通热管相比，在 相同条件下添加纳米颗粒的热管启动速度加快，换热性能较好；此外，热管的性 能还与所加纳米颗粒的量及粒径有关，热管的换热性能随a 1 2 0 3 纳米颗粒加入量 的增加与粒径的减小而提高。 刘俊红网研究发现，与水热管相比，纳米磁性流体弱化了热管的传热，存在 一个最优的磁性流体浓度，磁性流体热管的传热性能在此浓度下最佳。 彭玉辉等5 4 1 研究发现，与普通热管相比，将a 1 2 0 3 纳米颗粒添加到两相闭式 热虹吸管后改善了热管的启动特性，管壁温度降低了6 8 c ，在蒸发段的传热系 数提高了4 7 9 6 ，轴相热流率提高了7 6 - v 1 5 。 熊建国，刘振华【5 5 】通过对c u o 水纳米流体在不同运行压力和不同浓度下纳 米流体沸腾换热特性与c h f 的实验研究发现，沸腾换热系数和c h f 随压力降低而 大幅度增加；存在一个最佳纳米颗粒浓度，在此浓度下，沸腾换热系数和c h f 都达到最佳。 郭广亮等【5 6 】用质量浓度为2 o 的碳纳米管悬浮液替代去离子水，对重力热 管的沸腾换热性能进行了研究，结果发现，热管蒸发段压力越小，碳纳米管悬浮 液对沸腾换热特性的强化作用越显著；壁面热通量对蒸发段沸腾换热特性的影响 主要表现在低热通量时碳纳米管悬浮液的强化换热作用不明显，而高热通量时， 其强化换热作用显著。 洪荣华，郑立国等【5 7 】对碳纳米管一水纳米流体在以铜为管壳的新型重力热管 内的传热性能进行了实验研究，结果表明，纳米流体重力热管蒸发段的沸腾换热 弱化了纳米流体稳定性对传热性能的影响，从而实现了纳米流体与重力热管的优 势互补；以该纳米流体为工质的重力热管的热阻比水小，并且随着传输功率的提 高，热管总热阻逐渐减小，换热性能逐渐提高。 彭玉辉等恻对c u 水热虹吸管蒸发段的工作特性进行了实验研究，实验结果 表明，加入纳米颗粒后水热管的换热性能得到了明显的改善，与普通热管相比较， 这种新式热管具有很好的启动特性，低的管壁温度，较高的换热系数及轴相热流 率。 l i ny “5 卅对颗粒粒径为2 0 n m ，不同浓度、不同填充率( 2 0 、4 0 、6 0 、 济南人学硕 j f 也论文 曼曼曼曼曼曼曼曼曼! ! 曼曼! ! 曼! 曼曼! ! ! ! ! 曼曼! 曼曼曼曼i i 二i = i | 曼曼曼曼曼! 曼! 曼! 曼! 曼! 曼! ! 曼曼! 皇曼曼皇曼曼曼曼曼曼鼍! ! ! 曼曼! 曼曼曼! 曼曼蔓璺曼! ! 曼曼曼 8 0 ) 的a g 一水纳米流体铜脉动热管的传热性能进行了实验研究，结果发现，加热 功率为8 5 w 时，蒸发段与冷凝段的温差降低了7 7 9 ，热阻降低了0 0 9 2 脚； 填充率为4 0 、6 0 的热管比较好，6 0 的传热效果要优于4 0 。 商福民等6 0 , 6 1 对粒径为2 5 n m 、c u 粉纯度为9 9 9 、不同充液量的c u 水纳米 流体的自激振荡流热管( 热管内径为2 m m ，蒸发段和绝热段总垂直高度为3 5 c m ， 冷凝段垂直高度为15 e r a ) 的热传输特性进行了研究，结果发现，在一定条件下纳 米流体可以起到强化传热的作用，但决定纳米流体热传输性能的参数却是充液 率。 李启明等【6 2 】通过对颗粒粒径为1 5 n m 、体积浓度为0 0 3 6 和0 2 6 8 的s i 0 2 一水 纳米流体和去离子的振荡热管进行的研究发现( 热管总长3 2 0 0 0i n l l l ，蒸发段长度 为9 2 1 0 m m ，冷凝段长度为5 0 0 0 m m ，外径为5 3 8 m m ) ，当纳米颗粒体积浓度达 到一定值后，纳米流体可以提高上极限热流，降低振荡热管的下极限热流，而提 高上极限热流是利用纳米流体为工质改进振荡热管性能的主要特点，内在物理实 质是纳米流体具有明显不同的流型转变。