纳米流体冲击射流冷却中的靶面冲蚀磨损机理研究

Nanofluids impingement jet cooling can give rise to a great improvement of the convective heat transfer and integrated thermal performance, which is the useful high efficient heat transfer enhancement technology for high heat flux applications. However, the mechanism of erosion on target surface during nanofluids impinging has not yet been uncovered, and then the safe reliability of long-term running cannot be ensured. Therefore, the mechanism of erosion on target surface in the nanofluids impingement jet cooling are investigated in detail in this proposal by theoretical analysis, experiments and numerical simulation combined method. The nanoparticle motion characteristics are obtained by developed heat flow and solid coupling analysis of nanofluids impingement jet cooling, coupling physical property models of working substance and particle trajectory model. Then the interaction of nanoparticle, base fluid and target surface are discussed, based on elastic and plastic material damage theory and slurry erosion theory. To study the processes of erosion onset, extension and rapid development, the nonlinear dynamics impact model of nanoparticle surrounding by base fluid and target surface is established using Arbitrary Lagrangian-Eulerian method. Moreover, the effects of physical properties, system geometry and boundary conditions on the above processes are investigated in detail. Finally, the mechanism of erosion on target surface in nanofluids impingement jet cooling can be obtained, and an innovative evaluation parameter of system performance is developed coupling the heat transfer, resistance and erosion characteristics based on parametric study. The proposed research is beneficial for the development of nanofluids impingement jet cooling, which is further of great scientific significance and engineering application value for the development of high-efficiency low-resistance heat transfer enhancement technology.

纳米流体冲击射流具有优良的对流换热性能，是一种高热流密度环境下先进的高效强化换热技术，但该射流系统中靶面冲蚀磨损现象的机理目前尚未得到揭示。本项目拟采用理论分析、实验测量和数值模拟相结合的方法对纳米流体冲击射流冷却中的靶面冲蚀磨损机理展开研究，首先由纳米流体冲击射流冷却的两相流热流固耦合分析，获得纳米颗粒的运动特性；以此为基础，基于弹塑性体损伤和浆料流冲蚀理论，分析纳米颗粒、基液和靶面间的相互作用，采用任意拉格朗日-欧拉方法构建起基液裹挟下纳米颗粒与靶面的非线性动力学碰撞模型，探究靶面冲蚀磨损现象的触发、扩展和快速发展等过程，以及物性、几何和工况条件对其影响规律，最终揭示纳米流体冲击射流冷却中的靶面冲蚀磨损特性及机理，同时提炼出考虑靶面冲蚀磨损的系统综合性能评价指标。本研究将为纳米流体冲击射流冷却技术的进一步发展奠定基础，对于发展高效低阻强化传热技术具有重要的科学意义和工程应用价值。

纳米流体冲击射流冷却是一种高热流密度条件下的先进强化换热技术，其靶面冲蚀磨损问题对于系统的高效可靠运行具有重要影响，是该技术进一步发展中亟需解决的关键问题。本项目首先建立了纳米流体冲击射流流动换热分析方法，分析了射流流场结构和换热特性，讨论了几何、流动和物性参数对于流动换热特性的影响规律，并获得了关键性能参数的关联式；对合成射流条件下的纳米流体冲击射流冷却进行分析，获得了不同入口速度波形射流的流动换热特性，尤其分析了波动频率对换热性能的非线性影响规律，同时分析了靶面温度均匀性的控制方法，得到了工况优化匹配方案；对通道内流动换热问题进行了流动换热和熵产分析，重点讨论流体工质非牛顿特性影响下的流动结构演变及换热特性；构建了三维流动换热分析与智能优化算法相耦合的自动优化设计方法，采用采用模式识别算法控制计算和迭代过程，使得强化换热性能得到了大幅提升，为三维流动换热复杂问题的优化提供有效借鉴；构建了纳米流体冲击射流流动换热特性和冲蚀磨损性能实验装置及实验方法，在实施中可综合考虑不同喷嘴与靶面间距离、冲蚀角度、脉动形式以及不同热量等诸多因素对于实际冲蚀磨损的影响，通过不同靶材和纳米流体工质以及不同工况条件下的射流冲击实验结果的比较分析，实现工况的优化匹配，并为纳米流体冲击射流工程应用中材料寿命评估提供依据；构建纳米流体冲击射流热流固耦合分析方法，基于流场中纳米颗粒运动特性，在流动换热分析基础上，重点讨论靶面冲蚀磨损性能的演变规律和机理，得出靶面冲蚀速率受射流速度、局部冲击角度和流体切削角度的共同影响，在靶面驻点区边缘出现极大值，沿出流方向呈现波动式下降趋势，过程中出现多个局部较大值；综合考虑纳米流体冲击射流换热性能，泵功和靶面冲蚀速率，进一步提出了综合性能评价指标，并获得了其参数关联式。本研究将为纳米流体冲击射流系统的高效可靠运行和优化设计提供基础理论和数据支持，并推动其实用化进程。