纳米流体沸腾传热研究进展

纳米流体沸腾传热研究进展

姚寿广;董招生

【摘要】综述近年来纳米流体在池沸腾和流动沸腾传热领域的实验研究和数值模拟研究。实验包括纳米流体沸腾传热的临界热流密度、沸腾换热系数以及换热机理方面的研究，并简要分析纳米流体强化或弱化沸腾传热的主要原因。数值模拟主要介绍格子玻尔兹曼方法（Lattice Boltzmann Method，LBM）在纳米流体沸腾传热领域的最新研究进展，包括基于不同的LBM模型模拟气泡产生、成长到脱离壁面的过程，对气泡的脱离直径和频率进行分析。最后展望纳米流体沸腾传热的发展方向。%This paper presents the latest researches on the heat transfer of pool boiling and flow boiling in the re-cent years.The studies on the critical heat flux,heat transfer coefficient and mechanism are included in the ex-perimental researches on the heat transfer of boiling.Moreover,the main reasons are briefly analyzed why the nanofluids enhance or deteriorate the heat transfer in comparison to base fluid.Then,this paper presents a re-view of recent numerical simulation researches on the boiling heat transfer behavior of nanofluids based on LBM. With different LBMmodels,the nucleation and growth of bubbles and departure from the wall are simulated and investigated as well as the departure diameter and release period.Finally,several topics worthy of attention for future investigations are identified.

【期刊名称】《江苏科技大学学报（自然科学版）》

【年(卷),期】2017(031)001

【总页数】6页(P49-54)

【关键词】纳米流体;强化传热;沸腾换热;数值模拟

【作者】姚寿广;董招生

【作者单位】江苏科技大学能源与动力工程学院，镇江 212003;江苏科技大学能源与动力工程学院，镇江 212003

【正文语种】中文

【中图分类】TK172.4

随着科学技术的飞速发展,工业界对研制出紧凑、轻量和高效的热交换设备提出了迫切的要求,发展高热导率和传热性能良好的换热工质已经成为换热设备中强化传热技术的研究热点之一[1]．纳米材料因具有小尺寸、大比表面积以及独特的光、磁、电、化学和机械特性,为强化传热提供了新的有效途径．

自1995年美国Argonne国家实验室提出纳米流体作为强化传热介质以来,将纳米流体作为流动工质应用于各类紧凑型换热冷板或换热器，从而提高其传热性能,在电子设备散热及紧凑式换热器上已展示出良好的应用效果[2]．文中主要研究近期纳米流体在强化沸腾换热领域实验研究和数值模拟的进展．

纳米流体的导热系数高于基液并能提高单相流体换热能力,而沸腾作为有效的强化换热手段,纳米流体沸腾传热的机理十分复杂,纳米流体沸腾是否强化换热,不同研究者得出了不同甚至完全相反的结果[3]．

1.1 沸腾换热的实验研究

文献[4]研究了Al2O3/H2O纳米流体的池沸腾传热特性,采用NiCr丝作为加热面,纳米颗粒的体积分数为0.01 %～0.1 %．结果发现，在每一个体积分数下,纳米流体的临界热流密度(critical heat flux,CHF)都比纯水有所提高,而且随着体积分数的

增加而增加,最高可提高48%．文中研究得出纳米流体CHF的提高主要是由于池

沸腾时纳米颗粒沉积在加热表面形成一层多孔的涂层,多孔涂层增加汽化核心所需

要的微穴，并且纳米颗粒的沉积形成多孔介质,从而进一步强化换热,文中通过测量

加热表面的粗糙度和扫描电子显微镜(scanning electron microscope,SEM)图像

证实此观点．

文献[5]对γ-Al2O3/CMC非牛顿纳米流体的池沸腾传热特性进行实验研究．结果

表明：CMC溶液的核态沸腾的传热系数随着CMC浓度的升高而降低,但是在CMC较低浓度情况下,由于溶液的流变特性的变化,沸腾换热系数会有小幅提升．在CMC溶液中添加纳米粒子后,沸腾表面的温度降低,沸腾传热系数升高,而且随着纳米粒子质量浓度的升高,强化传热效果更加明显．文中认为影响纳米流体沸

腾传热效果的因素中存在不同和对立的因素,如溶液的粘度,纳米颗粒与加热表面和

气泡的冲突．对比与非牛顿流体基液,这些因素的不同组合作用导致非牛顿纳米流

体有更好的强化传热表现．

文献[6]研究低浓度(≤1 g/L)Al2O3/H2O纳米流体的池沸腾特性,结果发现：当纳

米粒子的浓度低于0.025 g/L时,纳米流体的CHF较纯水都有提高,而且CHF随着

纳米粒子浓度的升高而升高；当浓度为0.025 g/L时,纳米流体的CHF较纯水有80%的提高；当浓度大于0.025 g/L时，纳米流体的CHF大小不变,但是壁面的过热温度增大,说明池沸腾传热系数降低．

文献[7]研究TiO2纳米流体的浓度、加热表面的材料和粗糙度对沸腾的影响．Cu、Al制成水平的圆盘作为加热面,表面粗糙度为0.2 μm和4 μm,纳米颗粒的体积浓

度分别为0.000 05、0.000 1、0.000 5、0.005、0.01．结果发现,铜圆盘作为加

热表面，浓度为0.000 1的纳米流体的传热系数较基液有所提高,且粗糙度为0.2

μm时提高约为15%,粗糙度为4 μm时提高约为4%;当浓度超过0.000 1时,传热

系数在两种粗糙度下均小于基液的传热系数,文中得出浓度小于0.000 1时,沸腾产