纳米流体稳定性和导热系数测试及其流动与换热特性研究

发布时间：2017-06-08 15:08

  本文关键词：纳米流体稳定性和导热系数测试及其流动与换热特性研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：随着电子设备的迅猛发展,热交换设备的高传热负荷和传热强度成为了制约电子器件微型化、集成化的首要问题。纳米流体作为新型、高效、高传热性能的能量输运工质,可以有效提高工质的导热性能以及散热系统的换热性能。因此,通过对纳米流体热物性和强化传热技术的研究,不仅可以深入了解纳米流体在实际应用过程中的可行性,同时也有助于提高热交换设备的传热性能,具有很广阔的应用前景和巨大的潜在经济价值。本文采用两步法制备了不同种类和浓度的纳米流体,并分别采用实验和模拟的方法对其展开全面分析。首先,采用沉降法和吸光度法对纳米流体的稳定性进行测试,观察粒子随时间的沉降情况,并通过流体内粒子对入射光的吸收程度对其稳定性进行评价,分析超声波振荡、表面活性剂等因素对粒子悬浮程度的影响。其次,利用热物性分析仪测试纳米流体的导热系数,并将实验结果与去离子水的数据结果进行对比,分析基液、温度、粒子种类及浓度等因素对其导热性能的影响。最后,将纳米流体应用于矩形和扇形微通道散热器并建立固-液两相模型计算通道底面的温度分布,将数值模拟结果与实验结果进行对比,分析其流动与传热特性。此外,实验还利用红外热像仪拍摄了扇形微通道底面的温度分布情况,更加直观地反应出纳米流体对微通道散热器换热性能的改善情况。实验结果表明,超声波振荡具有空化作用,可以为纳米流体提供局部的高温高压环境,打破粒子团聚,但是时间过长会导致温度升高而引起颗粒聚集。不同表面活性剂对纳米流体的分散效果不同,且会影响基液的吸光度基准值,进而影响纳米流体的导热性能。因此,不能通过吸光度的绝对值来判断纳米流体的稳定程度,需要考虑在不同静置时间下粒子的沉降速率。乙二醇的添加可以增加基液粘度并降低颗粒沉降速率,但是也会导致换热工质导热系数值降低。相比于以去离子水作为基液时,添加乙二醇的纳米流体导热性能有所降低。由于不同种类的纳米粒子密度、比热等物性存在差异,在SiO2、TiO2、Al2O3三种纳米流体中,Al2O3纳米流体具有更加良好的导热性能。传统观念认为,纳米流体的导热系数会随着粒子尺寸的降低而增加,但是当粒子粒径小于50 nm时,粒径越小则布朗运动越剧烈,在团聚作用的影响下有可能会导致纳米流体导热系数随粒子粒径的降低而减小。此外,温度升高会促进粒子热运动且单位体积内粒子浓度越大,热量交换的几率也越大,纳米流体导热系数可以得到大幅提升。当温度过高或浓度过大时,表面活性剂的分散作用有可能失效,粒子会更快地聚集成大粒径的固体颗粒,导致纳米流体导热系数逐渐降低,但仍然会高于去离子水。相比于矩形微通道,扇形微通道内凹穴的存在引起了当量直径的周期性变化,有助于增加流动扰动。实验结果表明,纳米流体对微通道内的流动换热起到了显著的强化换热效果,但是纳米粒子的添加会大幅增加通道内的流体压降,增加摩擦阻力系数,提升系统泵功。利用两相模型可以模拟出纳米流体在微通道内的换热情况,计算结果与实验结果得到较好的吻合。利用红外热像仪拍摄了扇形微通道的底面温度分布,表明纳米流体有效改善了底面均温性,且粒子浓度越大,流动速率越快,越有助于提高微通道的换热性能,降低系统总热阻,强化微通道内的流动换热。
【关键词】：纳米流体 导热系数 微通道 流动换热 红外热像仪
【学位授予单位】：北京工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TB383.1;TK124
【目录】：

• 摘要5-7
• Abstract7-11
• 物理量名称及符号表11-13
• 第1章 绪论13-25
• 1.1 研究背景及意义13-14
• 1.2 纳米流体稳定性在国内外的研究现状14-20
• 1.2.1 基液对纳米流体稳定性的影响15-17
• 1.2.2 超声波振荡对纳米流体的影响17-18
• 1.2.3 表面活性剂对纳米流体的影响18-20
• 1.3 纳米流体导热性能的研究现状20-22
• 1.4 纳米流体流动换热研究现状22-24
• 1.5 本文的主要工作24-25
• 第2章 实验原理、装置及过程25-39
• 2.1 纳米流体制备过程及装置25-28
• 2.1.1 纳米流体的制备过程25-27
• 2.1.2 纳米流体的制备装置27-28
• 2.2 纳米流体稳定性测试28-30
• 2.3 纳米流体热物性测试原理及过程30-34
• 2.4 纳米流体流动换热实验平台34-38
• 2.4.1 微通道散热器尺寸介绍34-35
• 2.4.2 实验系统35-38
• 2.5 本章小结38-39
• 第3章 纳米流体稳定性影响因素分析39-49
• 3.1 超声波振荡对纳米流体稳定性的影响39-41
• 3.2 表面活性剂对纳米流体稳定性的影响41-46
• 3.3 粒度对吸光度影响46-47
• 3.4 本章小结47-49
• 第4章 纳米流体导热系数影响因素分析49-61
• 4.1 基液对导热系数的影响49-51
• 4.2 表面活性剂对导热系数的影响51-53
• 4.3 粒子种类和粒径对导热系数的影响53-56
• 4.4 粒子浓度和温度对导热系数的影响56-59
• 4.5 本章小结59-61
• 第5章 纳米流体流动换热特性分析61-77
• 5.1 数值模拟过程61-63
• 5.2 流动特性分析63-66
• 5.3 温度分布66-72
• 5.3.1 模拟与实验结果对比66-67
• 5.3.2 温度分布实验分析67-72
• 5.4 传热特性分析72-75
• 5.5 本章小结75-77
• 结论与展望77-79
• 结论77-78
• 展望78-79
• 参考文献79-85
• 硕士期间成果85-87
• 致谢87

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