MWCNT纳米流体在封闭腔内的自然对流传热特性研究

发布时间：2017-10-07 17:12

  本文关键词：MWCNT纳米流体在封闭腔内的自然对流传热特性研究

  更多相关文章： MWCNT纳米流体 热物性 自然对流 格子Boltzmann方法

【摘要】：20世纪90年代以来,碳纳米管因其良好的导热性,为研制高导热性能的新型换热工质提供新的思路和途径,引起国内外研究人员的广泛关注。论文以多壁碳纳米管(MWCNT)纳米流体为研究对象,测试其热物性参数,通过实验和数值模拟的方法研究了纳米流体在封闭腔内的自然对流传热特性并进行了理论分析。文中采用扫描电子显微镜(Hitachi SU-70)和激光粒度仪(LS-230 Coulter)观测纳米流体中的MWCNT形貌及粒径分布,并分析纳米流体的稳定性。利用瞬态平面热源法和旋转法分别测量了MWCNT纳米流体的导热系数和粘度,分析了流体温度、MWCNT体积分数以及静置时间等因素对纳米流体的导热系数和粘度等物性的影响,研究结果表明:导热系数随温度的升高而增大;随着体积分数的增加而增大;随着静置时间的增加而降低。粘度随着温度的升高降低;随着体积分数的增加而增大;随着静置时间的增加而增大。基于PID自控原理开发了以Lab VIEW2012为软件控制平台的温控系统,实现了对自然对流传热实验系统的温度实时监控及数据保存等功能,搭建的测试系统能满足MWCNT纳米流体在瑞利数范围为Ra=8.94×106~7.15×107的自然对流传热性能的实验要求。实验结果表明:纳米流体在封闭腔内的自然对流换热强度随着加热和冷却两壁面温差的升高而增强,但并没有随着MWCNT体积分数的增加而增强。分析认为由于MWCNT的添加导致纳米流体粘度的提升幅度远大于导热系数的提升幅度,这是造成纳米流体对流换热强度降低的主要原因。基于格子Boltzmann方法的基本思想,从介观尺度分析MWCNT纳米流体在封闭腔体内的自然对流传热特性的影响因素。采用C语言编写了LBM-TD2G9耦合双分布函数模型的计算程序,数值求解了纳米流体自然对流传热问题,并验证了数值解的准确性。模拟结果表明:向基液中添加MWCNT可以起到强化自然对流传热的作用,且MWCNT的体积分数越大,自然对流传热效果越强。此外,封闭腔内纳米流体自然对流效应的强弱由Ra数的大小决定,Ra数越大,自然对流效应越强;反之,腔体内传热过程则主要依靠冷热两壁面之间的导热。然而,该算法在高Ra数下的自然对流传热研究已不再适用,需考虑各方面的物理量变化。
【关键词】：MWCNT纳米流体 热物性 自然对流 格子Boltzmann方法
【学位授予单位】：中国计量学院
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TB383.1;TK124
【目录】：

• 致谢5-6
• 摘要6-8
• abstract8-15
• 1 绪论15-22
• 1.1 课题研究背景及意义15
• 1.2 碳纳米管纳米流体自然对流传热特性的研究现状15-20
• 1.2.1 碳纳米管及其性质15-16
• 1.2.2 纳米流体的制备16-17
• 1.2.3 纳米流体导热系数的研究进展17-18
• 1.2.4 纳米流体粘度的研究进展18-19
• 1.2.5 纳米流体自然对流传热特性的研究进展19-20
• 1.3 本文主要研究内容20-21
• 1.4 创新点21-22
• 2 MWCNT纳米流体的热物性测量22-38
• 2.1 MWCNT纳米流体22-23
• 2.2 MWCNT纳米流体的稳定性23-26
• 2.3 MWCNT纳米流体的导热系数测试实验26-31
• 2.3.1 液体导热系数测量概述26
• 2.3.2 瞬态平面热源法导热系数测量26-28
• 2.3.3 MWCNT纳米流体导热系数的测量结果28-31
• 2.4 MWCNT纳米流体的粘度测试实验31-37
• 2.4.1 液体粘度测量概述31-32
• 2.4.2 旋转法粘度测量32-34
• 2.4.3 纳米流体粘度的测量结果34-37
• 2.5 本章小结37-38
• 3 自然对流传热实验系统的建立及实验研究38-58
• 3.1 实验系统的总体设计38-39
• 3.2 实验热电偶的标定39-42
• 3.3 矩形封闭腔体的设计42-44
• 3.4 实验加热部分的温控设计44-52
• 3.4.1 Lab VIEW简介44
• 3.4.2 PID控制及参数整定44-45
• 3.4.3 PWM控制45-46
• 3.4.4 硬件设计46-49
• 3.4.5 软件设计49-52
• 3.5 实验方法与步骤52-53
• 3.6 结果与分析53-57
• 3.6.1 Ra数和体积分数对自然传热的影响55-57
• 3.6.2 机理分析与探讨57
• 3.7 本章小结57-58
• 4 MWCNT纳米流体自然对流传热特性的数值模拟58-72
• 4.1 格子Boltzmann方法简述58-59
• 4.2 格子Boltzmann基本模型59-61
• 4.2.1 D2Q9模型59-60
• 4.2.2 D2G9模型60-61
• 4.3 MWCNT纳米流体自然对流传热的数值模拟61-67
• 4.3.1 物理模型61-64
• 4.3.2 纳米流体的热格子Boltzmann模型64-66
• 4.3.3 TD2G9模型算法66-67
• 4.4 数值模拟结果与分析67-70
• 4.4.1 Ra数的影响68-70
• 4.4.2 Ra数和体积分数对自然传热的影响70
• 4.5 本章小结70-72
• 5 全文总结及展望72-74
• 5.1 总结72-73
• 5.2 展望73-74
• 参考文献74-79
• 作者简历79

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本文编号：989060