恒热流边界条件下三维腔体内纳米流体自然对流换热特性研究

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纳米流体作为一种基于纳米科技发展而来的具备高效、高传热性能的新型强化传热介质，因其在太阳能利用、电子元器件冷却以及换热器等工程应用中具有良好的应用前景，引起了学术界和工程界的广泛关注。许多学者相继开展了大量的有关纳米流体流动与换热方面的理论和实验研究，着重针对纳米流体强化传热的机理。近二十年来，经过大量的研究，纳米流体作为具有高导热性能的冷却介质，将其应用于高强度制冷系统的技术可行性问题已经初步达成共识，但纳米流体的换热规律以及使用安全性、经济性等问题还有待于进一步探讨。本研究主要内容包括：
　　⑴在恒热流边界条件下，对三维方腔内纳米流体的自然对流换热进行了数值研究。在研究中腔体底部局部壁面维持恒定的热流量，顶部壁面维持稳定的较低温度条件，其余均为绝热壁面，重点分析研究了Ra数、纳米粒子体积分数?对腔体内纳米流体自然对流换热的影响。通过数值研究发现：Ra数对腔体内纳米流体的流动与换热有显著的影响。当纳米粒子体积分数保持一定时，腔体热壁面平均努塞尔数Nuav随着Ra数的增大而增大。三维腔体内纳米粒子体积分数的不同对腔体内流体的流动方式以及对流换热量的大小产生较大的影响。在Ra数较高条件下，纳米粒子体积分数的增加对腔体内自然对流换热的影响效果更加明显，当Ra数较小时，平均努塞尔数Nuav提高的幅度并不大，而当Ra数较大时，平均努塞尔数Nuav提高的幅度很大。
　　⑵在对倒置凹槽腔体内纳米流体自然对流换热的数值研究中，腔体顶部壁面维持较低的温度，底部凹形面维持恒定热流量，重点分析了热源位置D及热源宽高比AR对纳米流体自然对流换热的影响，在研究中发现：当Ra数一定时，热壁面平均努塞尔数Nuav随着热源宽高比AR的增加而减小。热源宽高比AR较小时，有利于自然对流换热，当AR=0.4时腔体内的自然对流换热效果好于AR=1和2时的情况。在不同宽高比条件下，同一位置的温度值也有一定差别。在X轴方向上，离开热表面越远，流体温度越低。当AR=0.4时，腔体内的自然对流换热效果最佳。在低Ra数时，凹槽位置D对自然对流换热的影响并不显著；对于倒置凹形热槽内的换热，当凹槽处于腔体中间位置，且当Ra数较大(Ra=105、106)时，有助于自然对流换热的提高。
　　⑶对竖直壁面局部维持恒定的热流量，使其具有较高温度，而倾斜壁面维持稳定的较低温度，其余均为绝热壁面条件下的直角三棱柱腔体内Cu-水纳米流体的自然对流换热做了数值研究。主要研究了热源位置、腔体宽高比以及布朗运动对纳米流体自然对流换热的影响。通过对直角三棱柱腔体内Cu-水纳米流体的自然对流换热的数值研究发现：腔体内的自然对流换热会受到热源位置D、腔体宽高比AR的影响，当Ra数较大且加热壁面处于腔体竖直面下侧(即D=0.3)时，有利于腔体内部纳米流体的流动与能量传递过程。当Ra=103、104时，增大腔体宽高比，将不利于腔体内的自然对流换热。只有当Ra=105、106时，增大腔体宽高比才能使自然对流换热加强，换热量增加。布朗运动对三维腔体内Cu-水纳米流体的自然对流换热有显著的影响，布朗运动影响下腔体热壁面平均努塞尔数Nuav提高的幅度大于不考虑布朗运动影响时腔体热壁面平均努塞尔数Nuav提高的幅度。

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作者
马文强;
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作者单位

兰州理工大学;

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授予单位兰州理工大学;
学科建筑与土木工程
授予学位硕士
导师姓名王刚,王晓辉;
年度 2015
页码
总页数
原文格式 PDF
正文语种中文
中图分类换热设备;传热学;
关键词
热交换器; 三维腔体; 纳米流体; 传热传质学;

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