發(fā)布時間：2017-12-30 12:11

  本文關鍵詞：磁重力補償下磁流體的自然對流與沸騰傳熱實驗研究　出處：《上海大學》2015年碩士論文　論文類型：學位論文

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【摘要】：對流傳熱過程廣泛存在于冶金、石油、化工、動力、電子、航空與航天、輕工和交通運輸?shù)葒窠洕母鱾�工業(yè)中。深入研究對流傳熱過程的機理,不但能夠推動傳熱學這一門基礎學科理論的不斷發(fā)展,而且能夠在實際工業(yè)生產中指導各種熱量交換與傳輸設備的設計,控制對流傳熱過程,從而經濟高效地實現(xiàn)能源的合理利用。單相自然對流傳熱過程以及兩相沸騰傳熱過程是兩種典型的對流傳熱過程。地面常重力環(huán)境下,流體溫度差導致了密度差,從而激發(fā)浮力對流,浮力是自然對流的主要驅動力。沸騰傳熱過程中,重力引起的浮力也是氣泡從加熱面上浮的驅動力。隨著人類航天事業(yè)的發(fā)展,大型航天器在熱管理方面的性能需求日益增長,對低微重力下對流傳熱規(guī)律的研究也日益迫切。而在低微重力環(huán)境下,重力引起的浮力極大地減小,此時的對流傳熱規(guī)律與地面常重力下的必然不同。但由于種種原因,相關的研究一直不夠深入。為此,本文以“磁重力補償”作為一種全新的研究手段,借助磁性流體,實現(xiàn)了磁流體內模擬的低微重力環(huán)境。隨后研究了磁重力補償下的磁流體自然對流傳熱規(guī)律以及磁重力補償下磁流體內的氣泡動力學及其沸騰傳熱規(guī)律。本文的第一部分,結合磁性流體及亥姆霍茲-麥克斯韋雙對線圈設計了一種全新的磁重力補償實施方法。通過數(shù)值模擬和實驗測量,對雙對線圈內磁場分布及磁流體磁重力補償水平進行了分析。通過有限元模擬軟件計算和對磁場大小及分布進行測量發(fā)現(xiàn),雙對線圈中心磁場分布呈線性分布特征,且分布較為均勻,實驗測量結果與數(shù)值模擬非常吻合。而后,由磁流體的有效重力水平計算結果可知,在雙對線圈中心直徑60mm、高60mm的圓柱區(qū)域內實現(xiàn)了90%以上的均勻的磁重力補償,且通過調節(jié)麥克斯韋線圈內電流,可以實現(xiàn)磁力完全抵消重力,達到了后續(xù)實驗所需的低微重力條件。本文的第二部分,首先對常重力條件下自然對流產生的條件、梯度磁場對自然對流的影響進行了理論分析。然后設計并搭建了磁重力補償下磁流體自然對流傳熱實驗研究系統(tǒng),并對常重力條件下不同濃度的磁流體自然對流傳熱以及不同磁重力補償水平下的磁流體自然對流傳熱進行了實驗研究。結果表明:常重力條件下,對于不同濃度的磁流體自然對流來說,加熱功率相同時,隨著磁流體體積分數(shù)增大,自然對流傳熱努塞爾數(shù)反而減小,表明磁流體中加入的納米磁性顆粒對自然對流有減弱的效果;均勻磁場作用下的磁流體,粘度會增大,導致了均勻磁場下磁流體的自然對流傳熱效率弱于常重力條件下的自然對流傳熱效率;磁流體在梯度磁場作用下受到磁場力的作用,磁場力的作用產生磁加速度。當磁加速度的方向與重力加速度方向相反時,會對磁流體自然對流產生抑制效果。磁場力越大,磁加速度就越大,對磁流體自然對流的抑制效果也就越強。本文的第三部分,設計并搭建了磁重力補償下磁流體內氣泡動力學實驗研究系統(tǒng)與沸騰傳熱實驗研究系統(tǒng),并對常重力條件及不同磁重力補償水平下的磁流體內氣泡動力學及沸騰傳熱進行了實驗研究。結果表明:在常重力條件和磁重力補償條件下,氣泡都經過產生、長大和脫附這一過程。僅施加均勻磁場條件下,磁流體內氣泡產生、長大和脫附行為與常重力下的類似,氣泡脫附直徑與脫附頻率也基本相同;隨著磁重力補償水平的增大,氣泡脫附直徑逐漸增大。氣泡脫附頻率隨著磁重力水平的增大而減小。常重力條件下,氣泡在磁流體內上浮過程中變得扁平;而在有磁場作用下,氣泡在上升過程中逐漸沿著磁場方向被拉成狹長的橢圓形。且隨著磁重力補償水平的增大,氣泡上升速度變小。磁重力補償條件下的磁流體沸騰傳熱效率低于常重力下的沸騰傳熱效率。僅有均勻磁場作用下,由于磁流體粘度的增加,導致了加熱面磁流體對流傳熱效率降低,從而減弱沸騰傳熱效率。隨著磁重力補償水平的增大,磁流體所受到的磁場力增大,磁加速度增大且與重力加速度方向相反,導致驅動加熱面上氣泡脫附的浮力減小,氣泡直徑增大,使得產生的氣泡更不易于從加熱面脫附,減弱了傳熱強度。且由于等效重力加速度的減小,沸騰傳熱過程中過熱壁面與流體之間的對流傳熱也被削弱,這兩種因素的共同影響導致了磁重力補償度越大,沸騰傳熱效率越低。本文將易于控制的磁體積力引入到對流傳熱的控制中,通過理論分析和實驗研究的方法,初步研究了磁場作用下磁流體自然對流和沸騰傳熱的基本規(guī)律,提出了通過梯度磁場實現(xiàn)對流傳熱控制的基本方法,為低微重力環(huán)境下對流傳熱研究提供了參考。
[Abstract]:......
【學位授予單位】：上海大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2015
【分類號】：TK124

【參考文獻】

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1 曾令宏,張之翔;圓環(huán)電流的磁場以及兩共軸圓環(huán)電流之間的相互作用力[J];大學物理;2002年09期

2 楊立軍;杜小澤;楊勇平;;永磁梯度磁場布置方式對空氣自然對流換熱的影響[J];化工學報;2007年12期

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本文編號：1354876