恒熱流邊界條件下三維腔體內(nèi)納米流體自然對流換熱特性研究.pdf

1、納米流體作為一種基于納米科技發(fā)展而來的具備高效、高傳熱性能的新型強(qiáng)化傳熱介質(zhì)，因其在太陽能利用、電子元器件冷卻以及換熱器等工程應(yīng)用中具有良好的應(yīng)用前景，引起了學(xué)術(shù)界和工程界的廣泛關(guān)注。許多學(xué)者相繼開展了大量的有關(guān)納米流體流動與換熱方面的理論和實(shí)驗(yàn)研究，著重針對納米流體強(qiáng)化傳熱的機(jī)理。近二十年來，經(jīng)過大量的研究，納米流體作為具有高導(dǎo)熱性能的冷卻介質(zhì)，將其應(yīng)用于高強(qiáng)度制冷系統(tǒng)的技術(shù)可行性問題已經(jīng)初步達(dá)成共識，但納米流體的換熱規(guī)律以及使用安全

2、性、經(jīng)濟(jì)性等問題還有待于進(jìn)一步探討。本研究主要內(nèi)容包括：
　?、旁诤銦崃鬟吔鐥l件下，對三維方腔內(nèi)納米流體的自然對流換熱進(jìn)行了數(shù)值研究。在研究中腔體底部局部壁面維持恒定的熱流量，頂部壁面維持穩(wěn)定的較低溫度條件，其余均為絕熱壁面，重點(diǎn)分析研究了Ra數(shù)、納米粒子體積分?jǐn)?shù)?對腔體內(nèi)納米流體自然對流換熱的影響。通過數(shù)值研究發(fā)現(xiàn)：Ra數(shù)對腔體內(nèi)納米流體的流動與換熱有顯著的影響。當(dāng)納米粒子體積分?jǐn)?shù)保持一定時(shí)，腔體熱壁面平均努塞爾數(shù)Nuav隨著R

3、a數(shù)的增大而增大。三維腔體內(nèi)納米粒子體積分?jǐn)?shù)的不同對腔體內(nèi)流體的流動方式以及對流換熱量的大小產(chǎn)生較大的影響。在Ra數(shù)較高條件下，納米粒子體積分?jǐn)?shù)的增加對腔體內(nèi)自然對流換熱的影響效果更加明顯，當(dāng)Ra數(shù)較小時(shí)，平均努塞爾數(shù)Nuav提高的幅度并不大，而當(dāng)Ra數(shù)較大時(shí)，平均努塞爾數(shù)Nuav提高的幅度很大。
　　⑵在對倒置凹槽腔體內(nèi)納米流體自然對流換熱的數(shù)值研究中，腔體頂部壁面維持較低的溫度，底部凹形面維持恒定熱流量，重點(diǎn)分析了熱源位置D及

4、熱源寬高比AR對納米流體自然對流換熱的影響，在研究中發(fā)現(xiàn)：當(dāng)Ra數(shù)一定時(shí)，熱壁面平均努塞爾數(shù)Nuav隨著熱源寬高比AR的增加而減小。熱源寬高比AR較小時(shí)，有利于自然對流換熱，當(dāng)AR=0.4時(shí)腔體內(nèi)的自然對流換熱效果好于AR=1和2時(shí)的情況。在不同寬高比條件下，同一位置的溫度值也有一定差別。在X軸方向上，離開熱表面越遠(yuǎn)，流體溫度越低。當(dāng)AR=0.4時(shí)，腔體內(nèi)的自然對流換熱效果最佳。在低Ra數(shù)時(shí)，凹槽位置D對自然對流換熱的影響并不顯著；對于

5、倒置凹形熱槽內(nèi)的換熱，當(dāng)凹槽處于腔體中間位置，且當(dāng)Ra數(shù)較大(Ra=105、106)時(shí)，有助于自然對流換熱的提高。
　?、菍ωQ直壁面局部維持恒定的熱流量，使其具有較高溫度，而傾斜壁面維持穩(wěn)定的較低溫度，其余均為絕熱壁面條件下的直角三棱柱腔體內(nèi)Cu-水納米流體的自然對流換熱做了數(shù)值研究。主要研究了熱源位置、腔體寬高比以及布朗運(yùn)動對納米流體自然對流換熱的影響。通過對直角三棱柱腔體內(nèi)Cu-水納米流體的自然對流換熱的數(shù)值研究發(fā)現(xiàn)：腔體內(nèi)的

6、自然對流換熱會受到熱源位置D、腔體寬高比AR的影響，當(dāng)Ra數(shù)較大且加熱壁面處于腔體豎直面下側(cè)(即D=0.3)時(shí)，有利于腔體內(nèi)部納米流體的流動與能量傳遞過程。當(dāng)Ra=103、104時(shí)，增大腔體寬高比，將不利于腔體內(nèi)的自然對流換熱。只有當(dāng)Ra=105、106時(shí)，增大腔體寬高比才能使自然對流換熱加強(qiáng)，換熱量增加。布朗運(yùn)動對三維腔體內(nèi)Cu-水納米流體的自然對流換熱有顯著的影響，布朗運(yùn)動影響下腔體熱壁面平均努塞爾數(shù)Nuav提高的幅度大于不考慮布朗