纳米流体流动特性的定量化实验研究

发布时间：2020-06-12 05:35

【摘要】：随着热科学技术的不断革新,各种热交换设备的换热效率也在不断提高,使得传统换热工质逐渐无法满足工业上的需求。因此,寻找一种新型换热工质来替代传统换热工质用以提高热交换设备的换热效率,进而满足各个工业应用领域不断提高的换热要求已经成为当今传热学的研究重点之一。纳米流体作为一种新型换热工质,其高效的换热特性已被越来越多的人所熟知,近年来经过不断完善与发展,并凭借其自身的独特优势,纳米流体作为新型传热冷却介质在传热领域有着广泛的应用前景。已有实验结果表明,纳米流体的流动特性是影响其强化传热性能的重要因素,因此只有对纳米流体的流动特性进行深入研究才会使换热过程的研究更有意义。但是,以往的可视化实验无法定量揭示纳米颗粒添加后对流动特性改变,进而强化动量传递的程度。基于此,本文利用PIV技术对SiO_2-水纳米流体的流动特性进行了定量化实验研究。为验证PIV技术的测量效果,本文使用大涡模拟的方法对实验的可行性进行验证,对三种不同雷诺数下的去离子水通过台阶流后的流场形貌进行了数值模拟,并将模拟结果与实验测试结果进行对比分析,结果表明:在流场速度分布以及旋涡个数上,模拟结果与相应的实验测试结果均吻合良好,有效证明了在流场中加入少量示踪粒子并不会对流场的流动特性造成较大干扰,进而说明本次实验方案具有一定的可行性。在验证PIV定量化实验研究效果基础上,分别以去离子水以及不同体积分数的SiO_2-水纳米流体为实验工质,以台阶流为实验段,通过PIV技术,对低雷诺数下去离子水以及不同体积分数下SiO_2-水纳米流体通过台阶后的速度场、涡量场等进行定量化实验分析,结果显示在相同雷诺数下,纳米流体流动时的混乱程度明显高于去离子水,并且随着纳米流体体积分数的不断增加,其流动特性也不断发生改变,扰动更加剧烈,旋涡个数增多,涡量增大。当Re=2300时,体积分数为3%的SiO_2-水纳米流体相比于去离子水,旋涡个数由3个增加为5个,涡量大小也提升了34.4%。进一步提升流速后,对中高雷诺数下去离子水以及不同体积分数下的SiO_2-水纳米流体的流动特性进行了定量化实验分析,在分析速度场及涡量场的基础上,增加了对流场脉动速度以及湍动能的定量化分析,使得分析结果更加深刻具体。实验结果表明,当Re=5000时,体积分数为3%的SiO_2-水纳米流体相比于去离子水,旋涡个数增加2~3个,涡量大小提升了22.1%,湍动能增长了3.68倍。结果表明随着流动强度的进一步提升,纳米颗粒对基础流体产生的扰动得到更大强化,说明颗粒对湍流流动强化效果更明显。
【学位授予单位】：大连理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TK403

【参考文献】