纳米流体及纳米表面的管内对流强化传热

纳米流体及纳米表面的管内对流强化传热

宏观尺度强化传热技术的发展已达到一定高度,并接近饱和；微米／纳米尺度的新技术、新材料、新方法能够提供宏观尺度下难以实现的优势,已经成为强化传热学科纵深发展的新动力。本文的研究目的是,通过采用微米／纳米尺度的强化传热技术,对管内单相对流换热及流动沸腾换热的基本物理现象及其强化机理有更深入的理解,以为新型微纳结构强化技术的开发提供数据支持与理论指导。

本文的基本内容是以纳米流体的单相对流换热为出发点,探究纳米流体与传热界面的相互作用,基于纳米流体对传热表面的改造机理,将研究扩展到纳米表

面的微细通道流动沸腾换热。本文首先对纳米流体和微纳结构工程表面的研究现状作了详尽的综述和分析,从中发现若干主题亟待研究：纳米流体的混合对流、一步法纳米流体对流换热、活性剂对换热的影响、纳米工程表面运用于微细通道沸腾传热。

对于纳米流体在大管径横管内的混合对流,本文系统地研究了二氧化硅纳米颗粒原生粒径、颗粒体积浓度、基液粘度和普朗特数等参数对于管内层流混合对流换热的影响,纳米流体混合对流换热相对于基液出现了恶化,采用混合对流判

别数和均相模型统一解释了纳米流体的混合对流传热特性。采用一步湿化学法制备了较大量稳定的二氧化硅纳米流体,在细通道内分别就其层流、湍流、混合对流进行了对流换热系数的测试,考虑热物性的改变后,其对流换热系数可以用传

统的关联式预测,并不存在奇异的强化效应。

一步法纳米流体无需使用表面活性剂,然而两步法必须采用活性剂才能稳定,这将对实验产生干扰。本文通过实验论证了表面活性剂SDBS对于细通道内流动沸腾换热的影响,活性剂溶液的表面张力大大降低,可以减小沸腾换热中汽泡的

尺寸,减轻细通道中汽泡的融合以及局部干涸,减缓换热系数随干度的增加而急剧恶化的趋势。

纳米工程表面技术可视为对纳米流体的扬弃,特别适用于微细通道内流动沸腾换热的强化。本文搭建了适用于测试可控参数微纳结构表面的微细窄通道流动沸腾测试系统,结合高速摄像系统,对过冷沸腾和饱和沸腾中的局部干涸和重新润湿现象进行了可视化流型观察,研究了流速、热流和干度等参数对换热机理的影响。

采用PECVD制备了二氧化硅表面,发现沉积层的厚度对于表面的亲疏水特性有重要影响,当沉积厚度为100nm时,表面呈现超亲水特性。采用超亲水纳米二氧化硅表面用于微细窄通道内饱和沸腾换热,可改变环形流的液膜分布,在干度提高时可避免微细通道中常出现的传热恶化现象。