基于矩方法的纳米流体管内流动和换热研究

发布时间：2020-10-23 23:27

　　 工业中,纳米流体作为新型管内换热工质受到广泛关注。但其团聚现象对流动和换热的影响并未有深入的研究。本文针对纳米流体在管内的团聚现象与传热特性进行详细研究,其主要分为三部分:纳米颗粒的碰撞概率以及凝并率的修正、纳米流体的团聚特性、纳米流体的传热特性。修正过程中集中考虑了纳米颗粒微观作用力对碰撞的影响。纳米颗粒凝并部分采用大涡模型和泰勒展开矩方法对三维水平圆管中水基铜纳米流体的运动和颗粒扩散及凝并过程进行了数值计算。研究结果显示:纳米流体流动过程中,由于布朗运动和湍流作用颗粒进行了扩散和凝并过程。颗粒发生凝并时,颗粒数密度随时间演变减小,同时平均粒径增加;颗粒的凝并过程受湍流强度、流动雷诺数、颗粒初始粒径影响;管道中湍流强度变化剧烈的位置,颗粒更容易凝并。随着流动雷诺数增加,湍流强度变化剧烈则凝并增强;颗粒初始粒径越小,布朗运动更强烈,则凝并过程增强。在强化换热研究中,对纳米流体分别使用了单相流体和DPM模型进行对比计算。研究结果显示:DPM模型比单相流体模型更能揭示微观粒子的传热特性与运动规律;涉及工况的水基铜纳米流体传热性能相比于基液至高可提升7.5倍。结合两方面结论可以总结出如下规律:可以适当增加纳米流体的雷诺数以及增大纳米颗粒初始粒径,以此可以有效抑制颗粒的凝并团聚并增强纳米流体的传热性能。
【学位单位】：中国计量大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TK124
【部分图文】：

图 3. 1 碰撞接触前颗粒间尺寸比例关系 λ 与碰撞效率 α1关系图3.1.2 颗粒对心碰撞后的建模与分析本小节将对碰撞后的颗粒进行建模分析。颗粒碰撞分为对心碰撞和非对心碰撞[66]。首先分析对心碰撞的情况。如图 3.2 所示，对心碰撞分为两种情况：两个对称颗粒和非对称颗粒之间的对心碰撞。对称颗粒的对心碰撞较为简单，故先以对称颗粒为例作说明。球形颗粒 b 以相对于球形颗粒 a 的速度 u 撞向颗粒 a，其方向是颗粒 a 与 b 之间质心连线方向。坐标系系统的建立借助王玉明[66]所述的碰撞坐标系。坐标系中以球形颗粒 a 的质心作为原点，x 轴在速度 u 的方向所在的直线上。在接触碰撞的过程中，两个颗粒一直在 x 轴上。其相互接触的部分从最初的一个点逐渐变成一个面，再渐渐恢复[66]。故碰撞过程可以分为两个阶段：压缩阶段和回弹阶段[66]。20

图 3. 2 颗粒对心碰撞模型示意图压缩阶段以两颗粒之间碰撞点接触为时间节点开始(如图 3.3 所示)，以颗相对速度为 0 为时间节点结束(如图 3.4 所示)。阶段伊始，颗粒 a 和 b 刚刚接触，两个颗粒间的距离为 0，且为点接触。同时，颗粒间初始相对速度 u方向指向颗粒 a 的质心。随着碰撞的进行，颗粒 a 的速度逐渐增大，其动渐增大，相反颗粒 b 的速度逐渐减小，其动能逐渐减小，并且两个颗粒的距离也不断增大，但两个颗粒始终在 x 轴上。最终，两个颗粒之间相对速 0，速度方向相同，并且此时两个颗粒各有一个相同的最大压缩距离 smax21

压缩阶段初始时刻对称颗粒间颗粒对心碰撞模型示意图
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本文编号：2853690