（工程热物理专业论文）磁性液体热磁对流与传热机理能量自主传递方法研究.pdf

博士论文 磁性液体热磁对流与传热机理能量自主传递方法研究 摘要 温度敏感型磁流体的饱和磁化强度会随温度的升高而显著减小，因此其热磁对流现 象十分明显：处于外磁场中和非等温状态下的温度敏感型磁流体内部会产生磁力的不平 衡状态，驱动流体做宏观对流运动。通过调节外磁场和温度场的协同作用，可以实现对 这种流体运动的控制。如果将热磁对流控制在密闭回路中，同时保持稳定的外磁场和温 度场，温度敏感型磁流体会在回路中持续稳定地循环流动，实现能量的传递。由于无须 外加机械驱动部件，热磁对流回路是一种能量自主传递系统，在热能工程领域有一定的 应用前景，对温度敏感型磁流体热磁对流回路特性的研究具有重要的意义。但热磁对流 回路的相关研究报道还是比较少，仍有一些问题亟待解决。本学位论文研究主要包括以 下几个方面的研究内容： ( 1 ) 热磁对流回路内的流场可视化研究和流速测量 为深入研究热磁对流回路中流体的流动与传热特征，需要对回路中磁流体流场进行 测量，这个问题至今没有很好解决。本文利用粒子图像测速技术( p i v ) ，针对磁流体可见 光透过率小的特点，采用非经典的光路设置，实现了回路中磁流体的流场可视化，研究 了热磁对流回路的流场特性，对充分发展段的流体进行了不同工况下的速度测量，定量 分析了热磁对流的强度及其随主要影响因素的变化关系。对流速的测量有利于深入研究 热磁对流回路的运行特性。 ( 2 ) 温度敏感型磁流体热磁对流回路运行特性的实验研究 搭建了温度敏感型磁流体为工质的小型热磁对流回路实验系统，利用n d f e b 永磁 体提供外磁场，同时对回路的不同部分施加热源和冷源，使流体内部产生温度差异，发 现回路中形成循环不断的热磁对流。分析了热源位置，永磁体位置，加热功率，冷却段 温度等因素对回路流动和换热特性的影响，探索回路流动与传热的基本特征，研究了外 加磁场和流体温度场的优化协同方式。 ( 3 ) 温敏型能量自主传递装置的设计方法 在流体动力学、传热学和电磁学的一些重要理论基础上，结合磁流体的基本特性建 立了包含磁、热和流动之间耦合特性的描述热磁对流的宏观数学模型。根据此数学模型， 对温度敏感型磁流体热磁对流回路的运行状况进行数值模拟，建立了温敏能量自主传递 系统的设计方法。将计算结果和实验结果进行对比，验证了理论模型和方法的合理性。 ( 4 ) 多热磁泵串联或并联回路的运行特性研究 在合适的外磁场和温度场的作用下，回路中的磁流体持续循环流动，驱动力来自于 外磁场和温度场的协同作用，它相当于一个“泵”为流体提供动力。迄今为止，热磁对流 回路的相关研究针对的是一个热磁泵的系统。在前述的理论模型基础上，建立了多个热 摘要 博士论文 磁泵串联的回路模型和多泵并联回路模型，数值模拟了这些多泵系统的工作特点，并与 单泵的回路系统进行了对比，以研究多泵系统中流体的流动与换热特性以及热磁动力的 相互影响。 ( 5 ) 探索热磁对流在热能工程领域的应用前景。 利用热磁对流原理建立了完整的小型热磁对流回路散热装置，通过对磁场的屏蔽减 小了对外界的不良影响。研究了使用不同结构的散热回路针对模拟发热体的散热特点， 结合散热能力和回路结构分析它们的应用价值和前景。 关键词：温度敏感型磁流体，热磁对流，能量自主传递，粒子图像测速，数值模拟， 换热装置 博士论文 磁性液体热磁对流与传热机理能量自主传递方法研究 a b s t r a c t at e m p e r a t u r e s e n s i t i v e m a g n e t i c f l u i dm e a n st h a ti t s m a g n e t i z a t i o nr e m a r k a b l y d e c r e a s e s 谢t ht h ei n c r e a s ei nt e m p e r a t u r e ，s ot h a ts t r o n gt h e r m o m a g n e t i cc o n v e c t i o nc a l lb e s e e nt ot a k ep l a c ei nt h ef l u i d ：w h e nt h i st y p eo fm a g n e t i cf l u i de x p e r i e n c e sat e m p e r a t u r e v a r i a t i o ni nt h ep r e s e n c eo fa ne x t e r n a lm a g n e t i cf i e l d ，am a g n e t i cf o r c ew i l la r i s et od r i v et h e m a g n e t i cf l u i df l o w t h i sf i e l d - i n d u c e df l o wm a yb ec o n t r o l l e db yt h es y n e r g yf u n c t i o n b e t w e e nt h ee x t e r n a lm a g n e t i cf i e l da n dt h et e m p e r a t u r ed i f f e r e n c ei nt h ef l u i d i f t h e t h e r m o m a g n e t i cc o n v e c t i o nt a k e sp l a c ei nal o o ps h a p ec h a n n e l ，ac o n t i n u o u sc i r c u l a t i o nf l o w c a l lb em a i n t a i n e di n s i d et h el o o p ，t r a n s f e r r i n gh e a tf r o mh e a ts o u r c et ot h eh e a ts i n k s i n c en o m e c h a n i c a lm o v i n gp a r ti sn e e d e di nt h ew h o l ed e v i c e ，i th a sa p p l i c a t i o np o t e n t i a l si nt h ef i e l d o ft h e r m a le n g i n e e r i n ga n di sw o r t h yo fd e e pr e s e a r c h h o w e v e r , t h er e s e a r c he f f o r t st ot h e t h e r m o m a g n e t i cc o n v e c t i o nl o o pa t er e l a t i v e l ys p a r s e ，a n dt h e r ew e r es t i l ls o m ep r o b l e m st o b er e s o l v e d t h i sp a p e ri sf o c u s e do nt h ef o l l o w i n ga s p e c t s ： ( 1 ) v i s u a l i z a t i o no ft h ef l u i di n s i d et h et h e r m o m a g n e t i cc o n v e c t i o nl o o pa n dm e a s u r e m e n t s o ft h ef l o wv e l o c i t y t h ef l o wm e a s u r e m e n to ft h em a g n e t i cf l u i di n s i d eat h e r m o m a g n e t i cc o n v e c t i o nl o o pi s s t i l lac h a l l e n g e ，w h i c hi si m p o r t a n tf o rd e e pr e s e a r c ho ft h ef l o wa n dh e a tt r a n s f e rf e a t u r eo f t h el o o p i nt h i sp a p e r , ap a r t i c l ei m a g ev e l o c i m e t r y ( p r v ) s y s t e mh a sb e e np u tu p ，a n dd u et o t h es m a l lt r a n s p a r e n c yo ft h ef l u i dt ol i g h tan o n - c o n v e n t i o n a ll i g h tp a t hw a si n t r o d u c e dt o r e a l i z et h ev i s u a l i z a t i o no ft h em a g n e t i cf l u i d i n s i d et h el o o p t h ef l o wp a t t e r n so ft h e m a g n e t i cf l u i di nt h el o o pw e r eo b s e r v e da n dt h ev e l o c i t yo ff u l l y d e v e l o p e df l o wu n d e rm a i n f a c t o r sw a sm e a s u r e d t h em e a s u r e m e n to fv e l o c i t yi s h e l p f u lt of u r t h e rr e s e a r c ho ft h e o p e r a t i o nc h a r a c t e r i s t i c so ft h et h e r m o m a g n e t i cc o n v e c t i o nl o o p ( 2 ) e x p e r i m e n t a li n v e s t i g a t i o n o n o p e r a t i o n a l c h a r a c t e r i s t i c so ft h e t h e r m o m a g n e t i c c o n v e c t i o nl o o pu s i n gt e m p e r a t u r e s e n s i t i v em a g n e t i cf l u i d as m a l lt h e r m o m a g n e t i cc o n v e c t i o nl o o pu s i n gat e m p e r a t u r e - s e n s i t i v em a g n e t i cf l u i d w a sm a d e ap e r m a n e n tn d f e bm a g n e tw a su s e di nt h ed e v i c et op r o d u c em a g n e t i cf i e l d h e a ts o u r c e sa n dah e a ts i n kw e r ea r r a n g e da td i f f e r e n t p a r t so ft h el o o p ，r e s u l t i n g i n t e m p e r a t u r ed i f f e r e n c ei nt h ef l u i d i tc a l lb ec o n c l u d e dt h a tac i r c u l a t i o nf l o wi sf o r m e di n s i d e t h el o o pd u et ot h et h e r m o m a g n e t i ce f f e c t t h ei n f l u e n c e so fh e a ts o u r c ep o s i t i o n , p o s i t i o no f m a g n e t ，p o w e ro fh e a ts o u r c ea n dt e m p e r a t u r eo fh e a ts i n ko nt h ef l o wa n dh e a tt r a n s f e r f e a t u r eo ft h el o o pw e r ed i s c u s s e d ，i no r d e rt og e ti n s i g h ti n t ot h em e c h a n i s mo ft h eo p e r a t i o n a b s t r a c t 博士论文 c h a r a c t e r i s t i c so ft h el o o pa n df m do u tf m es y n e r g yb e t w e e nt h em a g n e t i cf i e l da n dt h e r m a l f i e l d ( 3 ) d e s i g nm e t h o do fa u t o m a t i ce n e r g yt r a n s p o r td e v i c eu s i n gt e m p e r a t u r e - s e n s i t i v em a g n e t i c f l u i d b a s e do nt h ek n o w l e d g eo ff l u i dd y n a m i c s ，h e a tt r a n s f e r , e l e c t r o m a g n e t i c sa n dt h e f e a t u r eo f m a g n e t i cf l u i d ，am o d e l f o r d e s c r i b i n gt h e r m o m a g n e t i c c o n v e c t i o n o fa t e m p e r a t u r e s e n s i t i v em a g n e t i cf l u i di se s t a b l i s h e d ，w h i c hi n c l u d e st h ec o u p l i n go ft h et h r e e f u n d a m e n t a lp h e n o m e n a , i e ，m a g n e t i c ，t h e r m a l ，a n df l u i dd y n a m i cf e a t u r e s t h ef l o wa n d h e a tt r a n s f e rf e a t u r e so ft h ef l u i di nt h et h e r m o m a g n e t i cc o n v e c t i o nl o o pw e r en u m e r i c a l l y s i m u l a t e db yu s i n gt h ec f ds o f t w a r e t h ed e s i g nm e t h o df o rt h et e m p e r a t u r e s e n s i t i v e a u t o m a t i ce n e r g yt r a n s p o r td e v i c ei s p r o v e nt ob ec r e d i b l eb yt h ea p p r o v i n gc o i n c i d e n c e b e t w e e nt h en u m e r i c a lv a l u e sa n de x p e r i m e n t a ld a t a ( 4 ) i n v e s t i g a t i o no nt h eo p e r a t i o nf e a t u r e so ft h e r m o m a g n e t i cc o n v e c t i o nl o o pc o n t a i n i n g s e r i e s w o u n da n ds h u n t - w o u n dm u l t it h e r m o m a g n e t i cp u m p s w h e nt h et h e r m o m a g n e t i cc o n v e c t i o no fat e m p e r a t u r e - s e n s i t i v em a g n e t i cf l u i dt a k e s p l a c ei nal o o p ，ac o n t i n u o u sc k c u l a t i o no ft h ef l u i dm a yb em a i n t a i n e dd u et ot h em a g n e t i c f o r c er e s u l t i n gf x o mt h es y n e r g yo fe x t e r n a lm a g n e t i cf i e l da n dt h et e m p e r a t u r eg r a d i e n ti nt h e f l u i d ，w h i c hp l a y sa sat h e r m o m a g n e t i c p u m p ”r e s e a r c h e so ns u c ht h e r m o m a g n e t i c c o n v e c t i o nc o o l i n gl o o ph a v eb e e nl i m i t e dt o t h e “s i n g l e - p u m p ”s i t u a t i o n i nt h i sp a p e r , m a t h e m a t i c a lm o d e l s o fs e r i e s - w o u n da n ds h u n t - w o u n d m u l t i - p u m p ”t h e r m o m a g n e t i c c o n v e c t i o nl o o p sw e r ee s t a b l i s h e db a s e do nt h ea b o v e - m e n t i o n e dm a t h e m a t i c a lm o d e l t h e o p e r a t i o nf e a t u r eo ft h e s e “m u l t i p u m p ”s y s t e m sw e r en u m e r i c a l l yi n v e s t i g a t e d ，w h i c hw e r e t h e nc o m p a r e dw i t ht h o s ei nt h ec o n v e n t i o n a l “s i n g l e - p u m p ”l o o p ，i no r d e rt of i n do u tt h e f l o wa n dh e a tt r a n s p o r tf e a t u r e so ft h e s e “m u l t i - p u m p s y s t e m sa n dt h ei n f l u e n c eb e t w e e n t h e s et h e r m o m a g n e t i c p u m p s ” ( 5 ) t oe x p l o r et h ea p p l i c a t i o np o t e n t i a l so ft h et h e r m o m a g n e t i cc o n v e c t i o nl o o pi nt h ef i e l do f t h e r m a le n g i n e e r i n g s m a l lh e a tt r a n s p o r td e v i c e sa r ec r e a t e db a s e do n t h et h e r m o m a g n e t i ce f f e c t t h e m a g n e t i cf i e l dw a ss h i e l d e dt om i n i m i z et h ef i e l di n t e n s i t yi nt h es u r r o u n d i n ga r e a t h e c o o l i n gp e r f o r m a n c e so ft h ed e v i c e s 晰md i f f e r e n ts t r c t u r e sw e r ei n v e s t i g a t e d ，a n dt h e i r a p p l i c a t i o np o t e n t i a l sw e r ed i s c u s s e db yc o n s i d e r i n g t h e c o o l i n gc a p a c i t y a n dt h e c o n f i g u r a t i o n i v 博士论文 磁性液体热磁对流与传热机理能量自主传递方法研究 k e yw o r d s ：t e m p e r a t u r e s e n s i t i v em a g n e t i cf l u i d ，t h e r m o m a g n e t i cc o n v e c t i o n , a u t o m a t i c e n e r g yt r a n s p o r t a t i o n ，p a r t i c l ei m a g ev e l o c i m e t r y , n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ，h e a tt r a n s p o r td e v i c e v 主要符号表 博士论文 x 面积，m 2 磁感应强度，n a m 定压比热容，j k g k 粘性力密度，n m 3 磁力密度，n m 3 重力加速度，m s 2 磁场强度，a m 磁场强度标量，a m 热磁系数，a m k 磁化率 磁化强度，a m 磁化强度标量，a m 努塞尔数 压力，p a 热流密度，w m 2 主要符号表 雷诺数 温度，k 速度矢量，m s 基液导热系数，w m k 粒子导热系数，w m k 真空磁导率，n a 2 标量磁位，a 固体相体积浓度 固体相质量浓度 动力粘度，n s m 2 基液粘度，n s m 2 磁场中的流体粘度，n s m 2 密度，k g m 3 玻尔兹曼常数 觑丁y k k9巾帆n亿咻p 4 丑c 厶g 日 日 k z 膨m m p g 博士论文 磁性液体热磁对流与传热机理能量自主传递方法研究 1 绪论 1 1 研究背景和意义 近年来，出于对机械、电子等设备可靠、稳定、长期工作的需求，无须机械泵驱动 流体的能量自主传递方法在热能工程领域和微流控领域吸引了极大的研究热情，并取得 了大量的研究成果。各种能量自主传递方法利用毛细抽力，压电效应，电渗原理，电磁 力等作用实现流体的运送，不需要机械泵，大大提高了系统的可靠性和稳定性以及长期 工作的能力。磁流体作为一种新型功能流体，兼具块状磁体的磁性和液体的流动性，在 外磁场和温度梯度的作用下会产生宏观对流，热磁对流是一种简单可靠的能量自主传递 过程，对其进行科学研究有着重要的意义。 磁流体( m a g n e t i cf l u i d ) 也叫做磁性液体( m a g n e t i cl i q u i d ) ，是一种具有磁体的磁性和 液体流动性的功能流体【l 叫。这种流体的磁性不是指液体原子的磁矩按铁磁性排列而产 生的液态铁磁性，而是来源于弥散于液体当中的单畴磁性微粒( 粒径为纳米量级，小于 单畴临界尺寸) 对外加磁场的响应。因此，所谓磁性液体是一种稳定的胶体系统。磁流 体兼有磁性与流动性，在外加磁场的作用下可以被控制、定位、定向与移动，在基础理 论研究方面，r o s e n s w e i g 等做了开拓性工作【l j ，提出了铁磁流体的有关流体动力学方程 和热力学方程，从而为磁流体的发展奠定了坚实的基础。磁流体的应用研究始于6 0 年 代，其在航空航天、机械、电子、化工、医疗等诸多领域已被广泛地应用【5 - 9 。随着对 磁流体研究的深入，其特殊的流动传热特性也激发了国内传热领域的学者对其进行了多 方面的研究【l o 以3 。 磁流体在外磁场中被磁化，其磁化强度是磁场和温度的函数。如果处于外磁场中的 磁流体内温度具有不均匀性，不同位置的磁化强度差异可能导致宏观的压力梯度而驱动 流体运动，这就是热磁对流现象l 1 4 , 1 5 j 。普通磁流体的磁化强度随温度变化很小，其热磁 对流很弱甚至无法引起对流。而磁流体中有一类磁化强度随温度显著变化的流体，因其 磁性能对温度敏感，故称为温度敏感型磁流体【1 6 , 1 7 】。温度敏感型磁流体具有普通磁流体 的磁化规律、流动性及其它许多特殊性质，而与普通磁流体不同的是其特殊结构导致了 较低的居里温度，因此其工作的温度范围可以在居里温度附近，而磁介质在居里温度附 近时其热磁系数( 磁化强度随温度的变化率) 很大，这就导致了这种流体的磁化强度对温 度较为敏感。因此，较小的温度变化可使温度敏感型磁流体的磁化强度发生显著变化， 其热磁对流现象也就十分明显。 如果热磁对流现象发生在闭合的回路通道内，就可促使流体循环流动。如图1 1 所 示，将温度敏感型磁流体作为流动介质放入闭合回路内，对其施加磁场将流体磁化，并 对回路的一部分加热而冷却另一部分，在流体内产生温度梯度，就会出现如下结果：处 1 1 绪论 博士论文 于不同温度区的流体磁化强度出现明显的差异，磁化强度的差异导致施加于流体微元的 磁体积力大小不同而出现宏观的压力梯度，推动流体在回路中做循环运动。 冷却 图1 1 热磁对流回路示意图 热磁对流回路中的温度敏感型磁流体在没有机械驱动部件的情况下，仅靠外加的 磁场和内部的温度差异提供动力。流体的运动由温度差异导致并强化，运动的结果则 是减小这种差异，最终达到稳定的状态。稳定运动的流体连续不断地从热端带走热 量，在冷端释放，而后再次回到热端吸收能量，周而复始，实现能量的自主传递。 热磁对流回路作为一种无泵能量自主传递系统有稳定性好，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。当然，如果在回路中添加传动部件，也可将流体的动能输出加以利用。正 是这些优点促使了一些学者对热磁对流现象及热磁驱动装置进行了一定的理论和实验 研究。 1 2 国际研究现状 ( 1 ) 无泵流能量传递方法的相关研究 对于各种无泵能量传递的方法，国内外学者开展了广泛的研究工作。例如近年来非 常热门且已广泛应用于航天领域热控制的毛细泵回路( c p l ) 系统，它包括一个蒸发器、 一个冷凝器和一个用于存储工质的储液器以及连接各部件的蒸汽与液体管路，如图1 2 所示。加载到蒸发器上的热量通过蒸发器壳体及齿顶首先传递到毛细芯外表面，使得液 体工质受热蒸发，并在毛细芯的毛细管中形成汽液分界的弯月面，由于毛细力的作用， 汽液界面上产生的蒸汽通过蒸汽通道流入蒸汽管路，在冷凝器中凝结下来的液体工质在 毛细力的作用下通过液体管路回流到蒸发器中，完成循环。 2 博士论文 磁性液体热磁对流与传热机理能量自主传递方法研究 叠二i 一一：二兰三一麓 目日m b 啊。目i 目目i 目目a 糟日h _ 啊_ 目q * 醛豳舅 “j ：i ”t 睡 j “8 。8 8 “8 “8 嘲酝 丝丝苏 l ；0 糍嚣 囊囊一蹿豳弱豳黼瀚翰缓隧猫臻豳陵 敬浮。；l 一一一乏互差兰_ 。，露 图1 2 毛细泵回路系统示意图【2 0 】 基于早期的一些工程试验研究【1 8 】，以美国n a s a 为代表的一些机构致力于通过改 进c p l 系统的结构来提高启动及运行的可靠性，典型代表是9 0 年代的c p l 1 ，c p l 2 和c p l 3 三套系统【l 川。俄罗斯等国家则主要从提高毛细芯的性能来改善c p l 系统的总 体性能。钱吉裕等【2 0 川研制了符合国内航天器有效载荷及星载设备热控要求的具有良好 反重力性能、小型化和高性能的c p l 系统，并从理论上分析了储液罐温度波动和系统 惯性力对系统性能的影响。目前c p l 技术已经得到了世界各国学者的充分肯定，也得到 了包括n a s a 在内的越来越多的航天组织的应用【2 2 ，2 3 1 。由于c p l 系统运行中存在压力波 动，对系统的可靠性影响很大，压力波动的形成机制是目前的研究重点之一。 在微小系统中，利用电解质溶液在外加电场作用下的电渗现象可以实现对流体的驱 动，研究人员对其进行了广泛的研究。例如m u t l u 等人【2 4 】和c h u j o 等人圜分别对电渗微 泵进行了研究，这种电渗流产生的前提是与电解液接触的槽壁上有不动的表面电荷，原 理如图1 3 所示。这种表面电荷来自于离子化基或是液体中被吸附在表面的电荷。在表 面电荷的静电吸附和分子扩散的作用下，在固液界面上形成双电层。在微通道两端外加 垂直电场，电荷就会在电场作用下作定向迁移，由于液体具有一定的粘性，扩散层里可 移动的电荷就带动其周边液体定向迁移，形成电渗流。电渗泵的性能受槽道宽度、工作 液体温度和外加电压的影响。 伺1 _ j 【) r 2 e 融打畿l 。 ：二遗i 二：o 二西二i = _ ： 黟零。一日一够 图1 3 利用电渗现象的微泵原理示意图【2 5 】 利用压电效应来驱动流体的方法也受到广泛关注。例如l i n n e m a n n 等人1 2 6 】制作了典 3 1 绪论博士论文 型的压电驱动装置，原理如图1 4 所示。流体的驱动在一个腔体中完成，腔体的顶面与 压电材料相连，在电压作用下由于压电材料的逆压电特性，产生形变，使腔体体积发生 改变。在腔体容积增大时，通过单向阀的控制，进口开放，出口关闭，流体进入腔体； 在腔体容积减小时，进口关闭，出口打开，流体流出腔体，完成了对流体的单向驱动。 由于运动部分( 压电材料) 与腔体的分离，增加了设计的自由性。此外，近年来s h i n o h a r a 等人【2 7 1 ，y a n g 等人【2 8 1 和l i 等人【2 9 】也分别对压电微泵进行了广泛的研究。 弘瑚】p 洳b 嚣p u m pd i a p i w a g m蛔d i s c 图1 4 压电驱动微泵示意图【2 6 】 另外，m a i l l e f e r 等人【3 0 j 在类似于上述驱动腔的结构中采用了不同于压电效应的方法 来控制腔体项面的运动，包括利用电磁体来控制，利用记忆合金控制等方法，也达到对 流体的驱动效果。o l s s o n 等人【3 i 】设计了无须阀门的驱动机构，与上述结构相比，避免了 因阀门破损造成的不稳定性，原理如图1 5 所示。在没有阀门的结构中，虽然两个口都 有流体进出，但由于驱动腔两侧的缩口阻力不同，总的结果是流体向一个方向运动。与 有阀门的结构相比，这种结构增加了可靠性，但是驱动能力较差。 p u m p m o 曲 图1 5 没有阀门的驱动结构【3 1 1 另一种完全不需要运动部件的驱动方式是电磁力驱动，原理如图1 6 所示。处在磁 场中的通电流体由于磁场和导电流体中电流的相互作用，使带电流体受电磁力作用而产 生压力梯度，从而推动流体沿管道轴向运动。实用中大多用于泵送液态金属，所以又称 液态金属电磁泵。这种形式的微泵就不用运动的部件，完全利用流体所受的电磁力为驱 动力。2 0 0 2 年，中国科学院理化技术研究所刘静等人提出了以低熔点金属或其合金作为 冷却流动工质的计算机芯片散热方法，并申请了相关专利【3 2 1 ，随后开展了液态金属及电 磁泵方面的深入研究i j 孓3 5 j 。电磁泵驱动液态金属的原理已经有了商业化的产品，美国 n a n o c o o l e r s 公司2 0 0 5 年研制成功了微型电磁泵驱动的液态金属流体回路，用来冷却计 算机c p u 等高功率密度电子器件。2 0 0 5 年c o m p u t e x 中国台北电子产品展会上，知名 4 罐怒罴一菱 博士论文磁性液体热磁对流与传热机理能量自主传递方法研究 显卡厂商s a p p h i r e 公司展示了采用n a n o c o o l e r 公司技术的液态金属散热图像显示卡，引 起了高度关注，但由于价格昂贵等因素，未能够推向市场应用。 y 图1 6 电磁力驱动流体原理 除上述各种无泵驱动的方式外，还有利用超声波驱动的超声微泵1 3 6 j 和利用界面张力 驱动的微泵 3 7 , 3 8 等等。相比较以上各种能量自主传递方法，热磁对流回路无须任何运动 部件，没有毛细芯等复杂结构，大大增加了可靠性；而且不需要提供电能，只利用永磁 体的静磁场和温度差别就可以实现能量传递；热磁对流靠体积力驱动流体，在稳定状态 下流体连续运动，没有脉冲，增加了系统的稳定性。正是这些优点促使了一些学者对热 磁对流现象及热磁驱动装置进行了一定的理论和实验研究。 ( 2 ) 外磁场中磁液对流现象的相关研究 关于磁流体在磁场作用下的流动传热特性，国外学者已作过一些相关研究。早在 1 9 6 4 年，r o s e n s w e i g 等人就提出了磁致热能量转化原理，继而又提出了磁流体能量直 接转化系统的设想，并将铁磁流体看作不可压缩的宏观连续介质，分析了存在磁场梯度 和温度梯度时的传热过程和流动过程，阐释了热能与流体流动功之间的转换【3 9 1 。美国芝 加哥的r a n j a ng a n g u l y ，s w a m e n d us e n ，i s h w a rk p u f f 等模拟了在外加磁场影响下管道 中磁流体流动的两相强迫对流传热【4 们。九十年代，k n a k a t s u k a 和y h a m a 等人【4 1 】研究 了温度敏感型磁流体的热磁对流作用。日本的h y a m a g u c h i ，i k o b o r i 和n k o b a y a s h i 等建立了装有磁流体的管道模型，定性地分析了装置垂直放置时外加磁场对其中的磁流 体流动状态的影响【矧。富山大学的k s h i m a d a 和s k a m i y a m a 等人f 4 3 】用h s m a c 法计算 出磁流体流动过程中其温度、压力、速度等随时间的变化，并通过实验阐明了外加磁场 对管道水平放置时系统的能量转化效率和热流体力学特性的影响。2 0 0 5 年l o n n i e j l o v e 等人一j ，把装有磁流体的直径2 m m 、长4 0 m m 的玻璃圆管放在均匀磁场中并对其施加 温度梯度，磁流体中就会产生压力梯度，从而发生定向运动，他们用尺子和相机记录了 流体前端面的运动速度，如图1 2 。他们还结合磁致热的原理推导出热学、磁学和流体 动力学相关的基本方程，并通过一系列实验验证了有限元模型计算结果，理论模拟和实 验结果吻合得较好1 4 4 , 4 5 】。 5 1 绪论博士论文 五。! t 一? _ j 篆 + ， “，| 一 1 ；0 j| _ 薹? 叠曼、囊，囊一i ? 。0 l _ 。j， “ ，。_ 。 ：一一o j 图1 2l o n n i e j l o v e 的直管热磁对流实验图一j ( 3 ) 热磁对流回路的相关研究 有关热磁对流回路的研究较少，主要集中在同本。首先设计出热磁对流回路的是 h m a t s u k i ，k m u r a k a m i 和k y a m a s a w a 等人【46 i 。他们设计了采用居早温度为4 4 3 k 的 m n z n 铁氧体温度敏感型磁流体作为流动介质的自动冷却系统，系统是由电磁铁、热 源、冷却装置和装满温度敏感型磁流体的管子组成。热源长度为1 0 9 5 m m ，放在磁场 强度梯度为负的磁场区域里，冷却装置长度为1 5 0 m m ，管径为7 m m 。由于回路中存在 温差，因此磁流体的磁化强度也存在差别，温度低处，磁流体的磁化强度大，受到的 磁场驱动力也较大，磁场区域内磁性粒子受力不平衡，因此不需要任何j i - 力h 能量驱 动，磁流体也可以在磁力的推动下而流动，从而实现能量的直接转化或传递。通过分 析还得出了系统的冷却特性、压力水头、冷却能力等性能，其冷却特性依靠磁流体的 热特性和磁特性，冷却能力的最大值由所加的磁场强度决定，而冷却装置的运转则是 通过热源的热力强度自动控制的。该系统不需要j , i - d h 泵，仅依靠热能与机械能之间的 转化来推动其循环运转，可以用来消除机械余热等47 1 。由于当时磁流体产品的性能有 限，研究人员采用了居里温度高达4 4 3 k 的磁流体作为流动介质。作者也预见到，随着 科学技术的发展，低居里温度磁流体的产生，热磁对流回路的研究会有进一步的发 展。在他们的工作中，没有对流体的流速进行直接测量。j l - d i ：l 磁场的是由通电线圈提 供的，一定的磁场需要较大体积的线圈来维持。随着技术进步，高温度敏感型磁流体 的居里温度降至1 0 0 度以下，超强的稀土永磁合金也解决了强磁场和大体积之间的矛 盾。9 0 年代，h y a m a g u c h i ，a s u m i j i ，s s h u c h i ，t y o n e m u r a 等人【4 8 j 利用永磁体提供外 加磁场，利用温度差驱动温度敏感型磁流体在两个同心圆物体形成的环形缝隙中流 动，示意图如下。 6 博士论文 磁性液体热磁对流与传热机理能量自主传递方法研究 c o o l i n g 醒g i a n 凑冀 踅荔 、 弧4 图1 3h y a m a g u c h i 研究所用的热磁对流模型【4 8 】 f l o wf i e l d ie i l ：i p 盯a t r ef i e l d 图1 4h y a m a g u c h i 的数值模拟结果【4 8 】 作者对上述模型进行了数值模拟，回路中流体形成环流，如图1 4 所示。通过分析 不同条件下的结果发现驱动力的大小受磁场以及加热段和冷却段之间的温差控制，温 差越大，磁场越强，驱动力越大。另外，数值模拟的结果显示强磁场区域磁流体形成 涡，但由于实验的困难，这一现象一直没有得到证明。2 0 0 7 年，k o j if u m o t o ， h i d e a k iy a m a g i s h i ，m a s a h i r oi k e g a w a 等人【4 9 j 制造了一个用锰锌铁氧体作介质的小型热 磁对流回路，如图1 5 所示。他们将永磁体套在管路外以施加外磁场，用这种方式能在 流体的轴向取得对称的磁场，冷却段和加热段固定在磁体的两侧管路外，利用磁体两 极附近的温差驱动流体。作者利用超声波流量测试技术【5 5 。5 6 1 得到了管路内流体的流 率，实验结果显示流率随磁场和冷热段温差而改变。 1 绪论 博士论文 磁流体 超声波流墼计 图1 5 k o j if u m o t o 热磁对流回路实验图 综上所述，一些研究人员对热磁对流回路进行了理论和实验的研究，对热磁对流 回路的影响因素及运行特性有了一定的认识，为更深入的研究打下了基础；但总体上 讲，热磁对流回路的相关研究报道还是比较少，要深入了解其运行特点和控制机理， 还有很多问题需要解决。例如： 1 ) 外加非均匀磁场时，温度场与磁场的协同方式对热磁对流回路流动传热性能的影响。 在热磁对流现象的相关研究中，外加磁场的性质主要可分为均匀磁场、电磁场、和 永磁体产生的非均匀磁场。最简单的磁场是沿某一方向大小不变的均匀磁场，有研究人 员在一些简单现象的数值模拟或实验中采用【4 4 , 4 5 】，在得到一些必要结果的前提下大大简 化了模型。在实际应用中，外加磁场通常是不均匀的，均匀磁场只是在一定范围内的相 对均匀，在研究有一定尺度的热磁对流回路系统时，在整个回路范围施加均匀场会增加 系统的复杂性，不易实现；另外，相对于合理的梯度磁场，均匀场产生的热磁对流相对 微弱一些。因此，针对热磁对流回路系统来讲，采用有梯度的磁场是更好的选择。 在相关文献中，外加磁场的来源分为用电磁体和永磁体【4 1 4 9 】。以轴向磁场的螺线管 电磁体为例，螺线管是一个在管状线圈架上绕成的单层或多层同轴线圈绕组，当线圈通 以电流时，管内会产生与螺线管轴线方向一致的磁场。单层螺线管产生的磁场较弱，仅 几十奥斯特，多层螺线管一般也只能产生几百奥斯特的磁场，以一个匝数1 0 0 0 0 ，长度 4 0 0 m m ，外径2 4 0 m m 的电磁体为例，1 5 0 v 的外加直流电源使其产生的最大磁场只有6 0 0 奥斯特左右。另外，使用电磁体时还需注意导线的发热问题，尤其是长时间连续工作时， 螺线管产生的热量无法散失，温度将升得很高，必须采取适当的冷却措施m 。用超导技 术可以提高电磁体产生的磁场至几特斯拉( 1 特斯拉= 1 0 4 奥斯特) ，但是同时需要更加庞大 的冷却系统，造价及其昂