纳米流体在水平圆管内的流动和传热特性研究

Since nanoparticles show the particularity, the importance and complexity in enhancing heat transfer process, it is necessary to intensive study the flow and heat transfer characteristics of nanofluid. In this project, Eulerian- Lagrangian based numerical simulation method will be developed to investigate the CuO/water nanofluid motion and heat transfer process, and to discover the effects of particles on heat and flow boundary layers. Taylaor-expansion moment method will be used to resolve the particles population balance equation and to study the changes of flow state and heat transfer quantity induced by particles aggregation process. The experimental method will be used to measure the paremeters in the heat transfer process of CuO/water nanofluids tube flow. After these studies, the aims of this project are as follows:1) to acquire the information about particles moving and aggregation in the nanofluids; 2) to discover the change conditions of flow state and resistance, then give the functional expresses of resistance coefficient of CuO/water nanofluids; 3) to understand the influencing factors of convective heat transfer coefficient and obtain the expressions of Nusselt number of middle temperature difference CuO/water nanofluids with constant heat flux. The valuable results of this project will be provided to help the nanofluid applications for enhancing heat transfer.

由于纳米颗粒的特殊性及其在强化传热过程中的重要性和复杂性，有必要深入开展纳米流体流动和传热特性的研究。本项目拟在欧拉—拉格朗日框架内数值模拟氧化铜/水纳米流体在水平圆管内流动和传热过程，探索颗粒对流动边界层和热边界层的影响；采用泰勒展开矩方法求解颗粒团聚数平衡动力学方程，研究颗粒的团聚规律及其对管内流动和传热过程的影响；同时采用实验方法对氧化铜/水纳米流体管内流动和换热过程参数进行测试分析。通过对上述内容的研究，拟达到以下研究目标：(1)获得纳米流体中各力作用下颗粒的运动和团聚规律；(2)揭示氧化铜/水纳米流体管内流动状态和流动阻力的变化规律，给出沿程阻力系数的函数表达式；(3)明确氧化铜/水纳米流体管内对流换热系数的影响因素，得到中等温差恒热流密度条件下的努塞尔数的表达式。通过对本项目的研究，为纳米流体强化传热的广泛应用提供有价值的成果。

能源短缺和环境污染是目前全球遇到的重要问题，并且随着能源动力、石油和化工等领域所用传热系统的热负荷日益增大, 对强化传热技术提出了新的更高的要求。研制导热系数高、传热性能好的高效新型换热工质是当前传热传质领域的重要内容。在液体中添加纳米颗粒而形成的纳米粒子悬浮液, 是突破传统工质低导热特性瓶颈的一种强化传热新方法。由于纳米颗粒的特殊性及其在强化传热过程中的重要性和复杂性，有必要深入开展纳米流体流动和传热特性的研究。本项目采用了泰勒展开矩方法求解颗粒团聚数平衡动力学方程，研究颗粒的团聚规律及其在管内流动和传热过程时粒径、数密度的分布，及湍流对颗粒分布的影响；在欧拉—拉格朗日框架内数值模拟氧化铜-水纳米流体在水平圆管内流动和传热过程，探索颗粒在壁面的沉积规律；同时采用实验方法对氧化铜-水纳米流体管内流动和换热过程参数进行测试分析。通过对上述内容的研究，获得了纳米流体中各力作用下颗粒的碰撞和团聚规律；揭示了流动雷诺数，颗粒初始粒径对颗粒团聚的影响规律，给出了流场中颗粒团聚后粒径分布规律。揭示了纳米流体管内流动阻力的变化规律，给出了颗粒体积分数、流动雷诺数和流体温度对沿程阻力的影响，得到流动阻力与雷诺数的函数关系；同时研究了颗粒在壁面的沉积规律。明确了纳米流体管内对流换热系数的影响因素，获得了流体温度、流动雷诺数和颗粒体积分数对努塞尔数的影响规律。通过对本项目的研究，为纳米流体强化传热的广泛应用提供有价值的成果。.在本项目资助下，项目组在国内外高水平学术刊物和会议上共撰写和发表相关论文6篇，其中SCI收录5篇，培养研究生3名；参加国际学术会议6人次，国内学术会议2人次。