磁重力补偿下磁流体的自然对流与沸腾传热实验研究

发布时间：2017-12-30 12:11

本文关键词：磁重力补偿下磁流体的自然对流与沸腾传热实验研究　出处：《上海大学》2015年硕士论文　论文类型：学位论文

【摘要】：对流传热过程广泛存在于冶金、石油、化工、动力、电子、航空与航天、轻工和交通运输等国民经济的各个工业中。深入研究对流传热过程的机理,不但能够推动传热学这一门基础学科理论的不断发展,而且能够在实际工业生产中指导各种热量交换与传输设备的设计,控制对流传热过程,从而经济高效地实现能源的合理利用。单相自然对流传热过程以及两相沸腾传热过程是两种典型的对流传热过程。地面常重力环境下,流体温度差导致了密度差,从而激发浮力对流,浮力是自然对流的主要驱动力。沸腾传热过程中,重力引起的浮力也是气泡从加热面上浮的驱动力。随着人类航天事业的发展,大型航天器在热管理方面的性能需求日益增长,对低微重力下对流传热规律的研究也日益迫切。而在低微重力环境下,重力引起的浮力极大地减小,此时的对流传热规律与地面常重力下的必然不同。但由于种种原因,相关的研究一直不够深入。为此,本文以“磁重力补偿”作为一种全新的研究手段,借助磁性流体,实现了磁流体内模拟的低微重力环境。随后研究了磁重力补偿下的磁流体自然对流传热规律以及磁重力补偿下磁流体内的气泡动力学及其沸腾传热规律。本文的第一部分,结合磁性流体及亥姆霍兹-麦克斯韦双对线圈设计了一种全新的磁重力补偿实施方法。通过数值模拟和实验测量,对双对线圈内磁场分布及磁流体磁重力补偿水平进行了分析。通过有限元模拟软件计算和对磁场大小及分布进行测量发现,双对线圈中心磁场分布呈线性分布特征,且分布较为均匀,实验测量结果与数值模拟非常吻合。而后,由磁流体的有效重力水平计算结果可知,在双对线圈中心直径60mm、高60mm的圆柱区域内实现了90%以上的均匀的磁重力补偿,且通过调节麦克斯韦线圈内电流,可以实现磁力完全抵消重力,达到了后续实验所需的低微重力条件。本文的第二部分,首先对常重力条件下自然对流产生的条件、梯度磁场对自然对流的影响进行了理论分析。然后设计并搭建了磁重力补偿下磁流体自然对流传热实验研究系统,并对常重力条件下不同浓度的磁流体自然对流传热以及不同磁重力补偿水平下的磁流体自然对流传热进行了实验研究。结果表明:常重力条件下,对于不同浓度的磁流体自然对流来说,加热功率相同时,随着磁流体体积分数增大,自然对流传热努塞尔数反而减小,表明磁流体中加入的纳米磁性颗粒对自然对流有减弱的效果;均匀磁场作用下的磁流体,粘度会增大,导致了均匀磁场下磁流体的自然对流传热效率弱于常重力条件下的自然对流传热效率;磁流体在梯度磁场作用下受到磁场力的作用,磁场力的作用产生磁加速度。当磁加速度的方向与重力加速度方向相反时,会对磁流体自然对流产生抑制效果。磁场力越大,磁加速度就越大,对磁流体自然对流的抑制效果也就越强。本文的第三部分,设计并搭建了磁重力补偿下磁流体内气泡动力学实验研究系统与沸腾传热实验研究系统,并对常重力条件及不同磁重力补偿水平下的磁流体内气泡动力学及沸腾传热进行了实验研究。结果表明:在常重力条件和磁重力补偿条件下,气泡都经过产生、长大和脱附这一过程。仅施加均匀磁场条件下,磁流体内气泡产生、长大和脱附行为与常重力下的类似,气泡脱附直径与脱附频率也基本相同;随着磁重力补偿水平的增大,气泡脱附直径逐渐增大。气泡脱附频率随着磁重力水平的增大而减小。常重力条件下,气泡在磁流体内上浮过程中变得扁平;而在有磁场作用下,气泡在上升过程中逐渐沿着磁场方向被拉成狭长的椭圆形。且随着磁重力补偿水平的增大,气泡上升速度变小。磁重力补偿条件下的磁流体沸腾传热效率低于常重力下的沸腾传热效率。仅有均匀磁场作用下,由于磁流体粘度的增加,导致了加热面磁流体对流传热效率降低,从而减弱沸腾传热效率。随着磁重力补偿水平的增大,磁流体所受到的磁场力增大,磁加速度增大且与重力加速度方向相反,导致驱动加热面上气泡脱附的浮力减小,气泡直径增大,使得产生的气泡更不易于从加热面脱附,减弱了传热强度。且由于等效重力加速度的减小,沸腾传热过程中过热壁面与流体之间的对流传热也被削弱,这两种因素的共同影响导致了磁重力补偿度越大,沸腾传热效率越低。本文将易于控制的磁体积力引入到对流传热的控制中,通过理论分析和实验研究的方法,初步研究了磁场作用下磁流体自然对流和沸腾传热的基本规律,提出了通过梯度磁场实现对流传热控制的基本方法,为低微重力环境下对流传热研究提供了参考。
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【学位授予单位】：上海大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TK124

【参考文献】