新型纳米流体管内流动与换热过程的实验研究

作     者：王浩昌 

作者单位：华北水利水电大学 

学位级别：硕士

导师姓名：司爱国;高玉国

授予年度：2017年

学科分类：081702[工学-化学工艺] 07[理学] 070205[理学-凝聚态物理] 08[工学] 0817[工学-化学工程与技术] 080501[工学-材料物理与化学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 0702[理学-物理学] 

主      题：石墨烯 纳米流体 导热系数 黏度 对流换热系数 数值模拟 

摘      要：纳米流体作为一种新型高效的传热工质,在太阳能发电、工业余热回收、相变材料、氢内燃机散热等领域具有广泛的应用前景。本文对石墨烯纳米流体的制备、稳定性、导热性能、黏度、传热特性进行了实验研究,并对实验所得的结论进行了初步分析,为纳米流体的理论研究和实际应用提供依据。选用“两步法制备了石墨烯纳米流体。静置沉降实验证明实验室制备的石墨烯纳米流体具有良好的稳定性;通过不同基液石墨烯纳米流体沉降情况的对比发现,基液黏度越大,配置的纳米流体稳定性越好。采用基于瞬态热探针法的液体导热系数测试仪测量了石墨烯纳米流体的导热系数,并将实验值与纳米流体导热系数模型计算值进行比较。结果表明,石墨烯纳米粒子的添加强化了基液的导热性能;纳米粒子的质量份额、基液的性质、流体温度都是影响纳米流体导热系数的重要因素。依据实验结论从纳米颗粒的布朗运动与微对流、溶液属性等方面对纳米流体导热性能的强化机理进行了初步分析。采用乌式黏度计对水基石墨烯纳米流体的黏度进行了测量,并将实验值与纳米流体黏度模型计算值进行比较。结果表明,纳米粒子的添加增大了基液的黏度;纳米粒子的质量份额、粒子形状、粒子尺寸以及流体温度都是影响纳米流体黏度的因素,其中流体温度为主要影响因素。设计并搭建了管内流动与换热实验系统,测试了水基石墨烯纳米流体在Re=8000-12000范围内的对流换热性能。结果发现,纳米粒子的添加强化了基液的对流换热性能,且纳米流体对流换热性能的增幅大于导热性能的增幅;壁面热流率、粒子的浓度、湍流强度都是影响纳米流体强化对流换热性能的因素。纳米颗粒对圆管内壁的修饰改性有利于能量的传输。基于流动与换热实验系统,采用ANSYS Workbench对水基石墨烯纳米流体管内流动与换热进行数值模拟。将实验结果与模拟结果对比可得,石墨烯纳米流体内粒子的无规则布朗运动是强化纳米流体的传热性能的重要因素。从模拟结果中的温度场、速度场以及压力场对纳米流体管内流动与传热的规律进行了分析。