管壳式换热器热-磁-流耦合强化换热数值分析

采用Fe₃O₄/水磁性纳米流体和磁场改善管壳式换热器壳程的对流换热性能。通过三维数值模拟，分析了磁性纳米流体体积分数、流率和磁感应强度对管壳式换热器对流换热性能的影响。结果表明，换热器的传热率和强化效应会因为纳米粒子的导热系数和布朗运动而得到提高，但当体积分数大于1%时，提升幅度会逐渐减小并且效能评价系数会降低。相比其他性能强化技术，磁场对磁性纳米流体的作用可以使换热器在压降增加不大的情况下显著提高换热性能；与没有施加磁性纳米流体和磁场的情况相比，磁场下加入了Fe₃O₄/水磁性纳米流体的管壳式换热器的传热率提升最高可达68.2%，而压降只增加了13.8%，与施加了磁性纳米流体而没有施加磁场的情况相比，其传热率的提升最高可达46.7%，而压降只增加了1.96%。磁性纳米粒子本身具有的高导热性质和其布朗运动效应以及磁性纳米流体在垂直均匀磁场的作用下带动壳程流体形成的由内向外的旋流，加剧了对热边界层的扰动和冷热流体的混合，是对流换热性能增强的主要原因，且磁感应强度越大，流体流率越低，磁场对流体综合传热性能...     

纳米流体热量传递的研究进展

低传热性能的换热工质已成为目前开发新一代高效换热器的主要障碍.纳米粒子制备技术的迅速发展,使得传统的纯液体传热工质中添加高导热系数的纳米粒子,制成稳定的纳米流体成为可能.纳米流体作为一种新型的高效传热工质日益受到热科学技术领域研究人员的高度关注,在过去20年里做了大量的研究工作,目前已经在下述几个方面取得了突破性的研究进展:1)建立了纳米流体导热系数的理论模型,纳米流体表观导热系数的计算公式逐渐得到认可.2)通过大量的实验研究,归纳总结了很多种类纳米流体导热系数的基本实验数据.3)建立了基于微对流和微扩散效应的纳米流体对流换热准则关联式.4)纳米流体在矩形空间的自然对流传热的数值模拟和池内沸腾换热的实验研究取得了较大进展.本文主要对以上几个方面的最新研究成果做了综述,最后对纳米流体强化传热技术的研究进展和存在问题进行了总结和展望.     

井筒中垂直泡状流传热实验研究

通过理论实验相结合的方法研究石油钻采过程中井筒内泡状流传热问题.根据井筒内泡状流流动特点,以传热学基本理论为基础,建立考虑泡状流流动参数分布的泡状流传热模型,并在模拟井筒多相流传热实验装置上进行了泡状流传热实验,对所建立的传热模型进行评价,研究传热规律.结果表明:建立的泡状流传热模型计算精度良好;泡状流对流换热系数随液体流量增大线性增加,随平均空隙率增大线性减小,液体流量是影响泡状流对流换热系数的主要因素.研究两相流传热要考虑流型自身的流动特点.     

双组分纳米流体导热系数研究

采用共混法在氨水中制备了稳定的碳纳米管颗粒悬浮液(双组分纳米流体),并利用瞬态热丝法测量了不同条件下的双组分纳米流体的导热系数,系统研究了颗粒质量分数、氨水质量分数、温度等因素对双组分纳米流体导热系数的影响.实验结果表明,碳纳米管的加入极大地提高了基础液体-氨水的导热系数.在此基础上,结合已有文献中关于纳米流体导热系数的计算模型对双组分纳米流体的导热系数进行了模拟计算,并对模拟数据和实验数据进行了对比.结果发现,通过对模型参数的调整,微对流模型可以准确计算双组分纳米流体的导热系数.     

采用3ω法测量多壁纳米碳管悬浮液的导热系数

为了减小瞬态热线法测量纳米流体导热系数时易受电磁干扰和自然对流等因素的影响,更好地探究新型换热工质的强化传热机理,研制了3ω法实验台,采用锁相放大器测得交流加热铂丝的3倍频电压响应,拟合算出待测液体的导热系数。先通过对常规液体蒸馏水、乙二醇以及酒精溶液的测量,验证了实验台的精度和可靠性。然后采用两步法合成了稳定性较高的多壁纳米碳管悬浮液,测得其各体积分数和各温度下的导热系数。实验结果表明,3ω法具有较好的电磁兼容性,测量时温升不超过0.5K,可以有效地减小对流传热和辐射传热的影响,且可以通过1ω电压来判断纳米流体的稳定性;纳米碳管悬浮液的导热系数比基液和Ham ilton-Crosser预测值明显提高,并且分别随纳米碳管含量的增加和温度升高而加大。     

纳米颗粒悬浮液池内泡状沸腾机理

研究了添加不同性质、不同体积浓度的纳米颗粒后对液体池内泡状沸腾换热的影响和相应的物理机制,并对3种不同体积浓度的Fe及A l2O3纳米流体进行了池内沸腾的实验研究.分析表明:纳米颗粒的加入,将增加液体的有效导热系数和粘度,降低基液的表面张力;另一方面,由于部分纳米颗粒会在加热表面形成沉积,改变了加热表面活化凹坑的尺度及分布,从而对成核和气泡成长过程产生影响.因此,纳米流体池内泡状沸腾传热强化与否,是多种因素综合作用的结果.实验结果证实了上述分析.根据“对流汽化”模型给出了去离子水与体积分数为2?纳米流体沸腾换热关系式,与实验值符合较好.     

水基磁性流体水平加热棒下的池沸腾传热实验研究

研究了磁性微粒浓度、外加磁场对水基磁性流体在水平加热棒加热情况下的沸腾传热影响．实验结果显示，磁性微粒浓度、外加磁场对磁性流体的沸腾换热有很大影响．高浓度的磁粒浓度使磁性流体沸腾换热恶化，对于中低浓度的磁性流体，存在一个最优的磁粒浓度，在该浓度下沸腾传热的强化效果最显，施加磁场时该结论仍然成立．施加磁场使磁性流体的沸腾传热强化．     

第二类边界条件下硬脂酸固液相变蓄能研究

通过引入有效导热系数来考虑自然对流对固液相变传热的影响,将相变蓄能模型简化为仅用能量方程描述,采用显热容法及正态分布液相率模型进行了求解.与硬脂酸固液相变实验的比较表明:自然对流对相变传热的影响不可忽略;修正后的有效导热系数经验公式能更准确地描述等热流边界条件下的固液相变过程;在等壁温边界条件下,相变速率随时间的推移而减小;在等热流边界条件下,相变速率随时间的推移而增大.     

水和水基磁性流体池沸腾传热的对比实验研究

对水和水基磁性流体进行了池沸腾传热的对比实验研究，以此来确定水基磁性流体的沸腾传热效果．实验结果显示，相同热流密度时，水基磁性流体的沸腾换热系数要比水至少增强2倍，且随热流密度的增加，其强化沸腾换热的能力增大．施加磁场后进一步强化磁性流体增强沸腾传热的效果，增强倍数可超过5倍。     

碳纳米复合相变材料熔化传热的理论分析

针对传统相变材料导热系数低的缺点,将高导热碳纳米材料添加到相变材料基体中可强化其相变传热.对碳纳米复合相变材料熔化传热过程进行理论分析,研究碳纳米材料导热系数、添加体积比以及材料形状对熔化传热的影响.研究表明:提高碳纳米材料的添加体积比,相变材料熔化速度随之增大;碳纳米材料的形状对复合相变材料熔化传热性能有显著影响;在高导热系数范围内,碳纳米材料导热系数变化对复合相变材料熔化传热性能的提升影响甚微.     

碳酸盐岩酸蚀裂缝渗流-传热特性

充分认识流体在碳酸盐岩酸蚀裂隙面上的渗流传热特性,实现地热能的可持续开发利用是十分必要的。针对碳酸盐岩热储非均质性和缝洞发育的突出特点,采用自主研发的实时高温常规三轴试验系统,能够真实模拟岩石裂隙的真实对流换热过程。采用试验和模拟相结合的方法,进行了碳酸盐岩裂缝渗流传热耦合机理研究。结果显示,裂缝表面进行非均匀性溶蚀,形成一条具有导流能力的人工裂缝,达到改善流体渗流条件的目的;在温度一定的条件下,对流换热系数增幅与流量、压强呈正相关;采用COMSOL Multiphysics软件对碳酸盐岩单裂隙渗流传热过程进行了模拟计算,开展了实际热储层环境条件下对流换热仿真分析,实验结果验证了数值模拟的正确性与可靠性,获得了储层温度场的演化规律。     

物性参数对纳米流体强化换热的影响

对铜-氩纳米流体在矩形槽通道内流动和换热情况进行了数值模拟,对基础流体和不同体积分数的纳米流体在不同Re下的换热情况进行研究,分析了纳米流体热物性的改变对强化换热的影响.研究表明:相对于基础流体而言纳米流体由于具有较好的导热性能而强化换热,并且纳米流体体积分数越大,其导热性能越好,从而换热能力也越大.对于相同体积分数的纳米流体,其换热系数提高的程度与流体的速度有关系,流速越小,换热系数提高得越大,而随着流速的逐渐增大换热系数提高的程度逐渐下降.     

基于圆环孔合成射流器的LED前照灯散热控制

采用实验方法明确圆环孔合成射流器的速度分布特征,利用参数化方法获得最佳散热距离,将其与发光二极管(LED)前照灯组合后采用实验方法明确合成射流器对LED前照灯的散热效果。基于大涡模拟对该部件的流场及温度场进行解算,在验证仿真方法有效性的同时明确温度及换热系数的分布规律。采用正交分解法对该部件流场及铝基板表面对流换热系数进行分析,表明壁面对流换热系数的分布特征及合成射流器的散热控制效果主要由流场中的大尺度涡结构所决定。     

A new model for analyzing laminar forced convective enhanced heat transfer in latent functionally thermal fluid

In this paper, a new model to analyze laminar forced convective enhanced heat transfer in latent functionally thermal fluid is developed. The main characteristics of the model are- i) a new formula of the specific heat at constant pressure is used; ii ) a real heat transfer process is considered; that is, heat transfer processes occur not only between working fluid and microcapsules, but also between the mixture and tube wall; iii) the new method, which combines the newly developed axisymmetrical dual reciprocity boundary element method (DRBEM) with finite difference method (FDM), is used to solve the control equations of this problem. The new model is validated by experimental data. Some new physical results on the variational characteristics of the specific heat at constant pressure with space and time during phase-change process, the time-marching history of the phase-change interfaces and so on are obtained. Several main physical factors that affect enhanced heat transfer in latent functionally thermal fluid are numerically analyzed. Some new understandings for the mechanism of enhanced heat transfer in the functionally fluid are obtained.     

金属泡沫管内强制对流换热的数值模拟

对空气在金属泡沫管内的强制对流换热进行了二维数值模拟.动量方程采用BrinkmanForchheimer扩展达西模型,能量方程采用考虑流体和固体局部不平衡的二方程模型,并用金属泡沫方形通道的试验数据验证了程序的正确性.模拟结果表明:金属泡沫管的努塞尔数随孔隙率的减小或孔密度的增加而增大,且随流体和固体导热系数比值的减小而增大;金属泡沫管的强化换热效果十分明显,但其压降远大于光管.数值模拟结果与相关文献的结果符合较好.     

Anisotropic thermal conductivity of magnetic fluids

Considering the forces acting on the particles and the motion of the particles, this study uses a numerical simulation to investigate the three-dimensional microstructure of the magnetic fluids in the presence of an external magnetic field. A method is proposed for predicting the anisotropic thermal conductivity of magnetic fluids. By introducing an anisotropic structure parameter which characterizes the nonuniform distribution of particles suspended in the magnetic fluids, the traditional Maxwell formula is modified and extended to calculate anisotropic thermal conductivity of the magnetic fluids. The results show that in the presence of an external magnetic field the magnetic nanoparticles form chainlike clusters along the direction of the external magnetic field, which leads to the fact that the thermal conductivity of the magnetic fluid along the chain direction is bigger than that along other directions. The thermal conductivity of the magnetic fluids presents an anisotropic feature. With the increase of the magnetic field strength the chainlike clusters in the magnetic fluid appear to be more obvious, so that the anisotropic feature of heat conduction in the fluids becomes more evident.     

Generalized thermal resistance for convective heat transfer and its relation to entransy dissipation

In order to further analyze and optimize convective heat transfer process further, the concepts of heat flux weighted average heat temperature and heat flux weighted average heat temperature difference in multi-dimensional heat transfer system were introduced in this paper. The ratio of temperature differ- ence to heat flux is defined as the generalized thermal resistance of convective heat transfer processes, and then the minimum thermal resistance theory for convective heat transfer optimization was devel- oped. By analyzing the relationship between generalized thermal resistance and entansy dissipation in convective heat transfer processes, it can be concluded that the minimum thermal resistance theory equals the entransy dissipation extremum theory. Finally, a two-dimensional convective heat transfer process with constant wall temperature is taken as an example to illustrate the applicability of generalized thermal resistance to convective heat transfer process analysis and optimization.     

液黏离合器摩擦副对流换热系数数值模拟研究

为了预测液黏离合器的温度场分布及热负荷特性,通过数值模拟研究求得摩擦副散热面的对流换热系数。应用计算流体动力学软件CFX建立了摩擦副流固耦合有限元模型,获得了摩擦副的温度场分布,综合考虑换热表面形状、摩擦片转速、油液流速和入口压力、流体物理性质等因素,揭示了各因素与对流换热系数之间的内在联系。结果表明：摩擦副温度从内径到外径逐渐升高,菱形区域中心温度比四周高。摩擦片转速越大对流换热系数越大;油液黏度越小,入口压力越大,对流换热系数越大。可见,油液流速对换热系数的影响最为显著;摩擦片转速、油液的入口压力和黏度会改变流速及流体的运动状态,从而影响对流换热系数。     

平板微热管的研究进展回顾与展望

热管是一种具有高热导率的多尺度传热材料,被广泛应用于换热器的余热回收再利用、太阳能集热器和数据中心冷却等领域。从循环动力和性能表现两方面入手探讨微热管传热影响因素的研究实验。针对平板微热管的结构组成和工作机理,综述了平板微热管微槽结构、充装工质及其充液率、工作状态的性能研究进展,剖析了蒸发段和冷凝段的状态对流动状态与传热特性之间的关系,如曲率半径、循环工质流量和有效导热系数等参数的表现,总结了平板微热管的模型结构设计与理论预测研究进展,并结合强化换热和沸腾传热,对微热管微通道的发展方向进行了展望。     

强化对流换热场协同唯象理论

根据现代热力学流与力的热力学线性唯象关系，导出了对流换热强度与流体中存在的各种内场及外场的关系，从唯象上阐明了降低热边界层厚度、增加流体优动和增加近壁面速度梯度的强化对流换热方法的物理机制。结果表明，强化对流换热的本质是控制内场和外场方向的协同，并从此可指导发展强化对流换热的新方法。