工業(yè)中,納米流體作為新型管內換熱工質受到廣泛關注。但其團聚現(xiàn)象對流動和換熱的影響并未有深入的研究。本文針對納米流體在管內的團聚現(xiàn)象與傳熱特性進行詳細研究,其主要分為三部分:納米顆粒的碰撞概率以及凝并率的修正、納米流體的團聚特性、納米流體的傳熱特性。修正過程中集中考慮了納米顆粒微觀作用力對碰撞的影響。納米顆粒凝并部分采用大渦模型和泰勒展開矩方法對三維水平圓管中水基銅納米流體的運動和顆粒擴散及凝并過程進行了數(shù)值計算。研究結果顯示:納米流體流動過程中,由于布朗運動和湍流作用顆粒進行了擴散和凝并過程。顆粒發(fā)生凝并時,顆粒數(shù)密度隨時間演變減小,同時平均粒徑增加;顆粒的凝并過程受湍流強度、流動雷諾數(shù)、顆粒初始粒徑影響;管道中湍流強度變化劇烈的位置,顆粒更容易凝并。隨著流動雷諾數(shù)增加,湍流強度變化劇烈則凝并增強;顆粒初始粒徑越小,布朗運動更強烈,則凝并過程增強。在強化換熱研究中,對納米流體分別使用了單相流體和DPM模型進行對比計算。研究結果顯示:DPM模型比單相流體模型更能揭示微觀粒子的傳熱特性與運動規(guī)律;涉及工況的水基銅納米流體傳熱性能相比于基液至高可提升7.5倍。結合兩方面結論可以總結出如下規(guī)律:可以適當增加納米流體的雷諾數(shù)以及增大納米顆粒初始粒徑,以此可以有效抑制顆粒的凝并團聚并增強納米流體的傳熱性能。
【學位單位】：中國計量大學
【學位級別】：碩士
【學位年份】：2018
【中圖分類】：TK124
【部分圖文】：

圖 3. 1 碰撞接觸前顆粒間尺寸比例關系 λ 與碰撞效率 α1關系圖3.1.2 顆粒對心碰撞后的建模與分析本小節(jié)將對碰撞后的顆粒進行建模分析。顆粒碰撞分為對心碰撞和非對心碰撞[66]。首先分析對心碰撞的情況。如圖 3.2 所示，對心碰撞分為兩種情況：兩個對稱顆粒和非對稱顆粒之間的對心碰撞。對稱顆粒的對心碰撞較為簡單，故先以對稱顆粒為例作說明。球形顆粒 b 以相對于球形顆粒 a 的速度 u 撞向顆粒 a，其方向是顆粒 a 與 b 之間質心連線方向。坐標系系統(tǒng)的建立借助王玉明[66]所述的碰撞坐標系。坐標系中以球形顆粒 a 的質心作為原點，x 軸在速度 u 的方向所在的直線上。在接觸碰撞的過程中，兩個顆粒一直在 x 軸上。其相互接觸的部分從最初的一個點逐漸變成一個面，再漸漸恢復[66]。故碰撞過程可以分為兩個階段：壓縮階段和回彈階段[66]。20

圖 3. 2 顆粒對心碰撞模型示意圖壓縮階段以兩顆粒之間碰撞點接觸為時間節(jié)點開始(如圖 3.3 所示)，以顆相對速度為 0 為時間節(jié)點結束(如圖 3.4 所示)。階段伊始，顆粒 a 和 b 剛剛接觸，兩個顆粒間的距離為 0，且為點接觸。同時，顆粒間初始相對速度 u方向指向顆粒 a 的質心。隨著碰撞的進行，顆粒 a 的速度逐漸增大，其動漸增大，相反顆粒 b 的速度逐漸減小，其動能逐漸減小，并且兩個顆粒的距離也不斷增大，但兩個顆粒始終在 x 軸上。最終，兩個顆粒之間相對速 0，速度方向相同，并且此時兩個顆粒各有一個相同的最大壓縮距離 smax21

壓縮階段初始時刻對稱顆粒間顆粒對心碰撞模型示意圖
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本文編號：2853690