摘 要

纳米流体具有优异的热物性，能够有效地提高流体的热导率，是可应用于热交换系统的新型高效介质。纳米流体在强化换热领域的巨大应用前景，展示了纳米流体所具有的丰富研究价值和工程运用价值。本文对水基氧化铝纳米流体在圆管内的强制对流进行了仿真模拟，分析研究纳米流体的强化传热性能。

使用ANSYS Workbench和Fluent进行仿真数值模拟，在圆管管壁上恒定均匀的热流。考虑两种仿真模型：单相流模型和多相流模型，分析两种模型的计算结果，确定使用单相流模型进行仿真研究。基于稳定的水基氧化铝纳米流体，仿真模拟数值计算其传热特性。

改变雷诺数、纳米颗粒的体积分数，进行多组对照实验，观察纳米流体的对流传热系数与基液的对流传热系数之间的关系。传热强化随颗粒体积浓度和雷诺数的变化情况。

关键词：纳米流体；纳米颗粒；对流换热；圆管；数值仿真模拟

Abstract

Nanofluids have excellent thermal properties and can effectively improve the thermal conductivity of fluids. They are new and efficient media that can be applied to heat exchange systems. The great application prospect of nanofluids in the field of enhanced heat transfer demonstrates the rich research value and engineering application value of nanofluids. In this paper, the forced convection of water-based alumina nanofluids in a circular tube was simulated and analyzed to study the enhanced heat transfer performance of nanofluids.

Simulated numerical simulations were performed using ANSYS Workbench and Fluent to maintain a uniform heat flow across the tube wall. Consider two simulation models: single-phase flow model and multi-phase flow model, analyze the calculation results of the two models, and determine the simulation study using single-phase flow model. Based on the stable water-based alumina nanofluid, the heat transfer characteristics were calculated by simulation.

The Reynolds number and the volume fraction of the nanoparticles were changed, and multiple sets of control experiments were carried out to observe the relationship between the convective heat transfer coefficient of the nanofluid and the convective heat transfer coefficient of the base liquid. Heat transfer enhancement varies with particle volume concentration and Reynolds number.

Key words: nanofluid；nanoparticle；convective heat transfer；circle tube；CFD

目录

第1章 绪论 1

1.1 研究背景及意义 1

1.2 纳米流体特性 1

1.3 国内外研究进展 2

1.4 纳米流体所面临的问题 3

1.5 本文的主要研究内容 4

第2章 基于ANSYS的管内流动传热数值模拟 5

2.1 流动传热数值模拟概述 5

2.2 ANSYS Workbench 软件介绍 5

2.3 ANSYS Fluent 软件介绍 5

2.4 理论计算模型 5

第3章 纳米流体仿真计算模型研究 8

3.1 管内流动传热机理及仿真模型 8

3.2 物理模型 8

3.3 数学模型 10

3.3.1 控制方程 10

3.3.2 湍流模型 11

3.3.3 纳米流体物理性质 11

3.4 边界条件 12

3.5 仿真结果与分析 13

3.5.1 速度及温度曲线分析 13

3.5.2 传热能力分析 14

第4章 纳米流体管内对流换热特性研究 16

4.1 仿真模型 16

4.2 边界条件 16

4.3 仿真结果与分析 17

4.3.1 表面对流换热系数的变化 18

4.3.2 内壁面温度变化 19

4.3.3 轴线温度变化 20

4.3.4 努塞尔数的变化 21

第5章 总结与展望 23

5.1 全文总结 23

5.2 展望 23

致谢 27

第1章 绪论

1.1 研究背景及意义

随着科学技术的不断发展，相关法律法规对节能减排的要求日益严苛，人们对热交换系统的传热强度要求越来越大，然而热交换设备的结构尺寸限制了提升传热效率的发展，从各方面对强化传热技术提出了新的更高的要求。当下，提升热交换设备性能的高效强化传热技术成为节能的重要手段，广泛应用于石油、化工、能源、冶金、材料等工程领域。开发新型强化传热技术，开发高效换热器可以带来巨大的经济利益和社会福利效益。

高效强化换热技术主要是提高换热系统的换热效率、减少换热时的热量传递损耗、减小换热系统的体积及使用成本。常见的强化传热技术是增加对传热工质的流动控制，使工质内部混合效果更好、微团流动更强，以便增强热量的传递。然而，这种强化传热技术对换热系统换热效率的提升是有限的，随着科学技术的进步，不断出现的新领域、新设备对新型高效强化换热技术以及换热系统的紧凑型要求更高。而且，传统的强化换热技术虽然增强了换热工质传热效果，但也增大了工质的流动阻力。因此，现阶段的新型强化传热技术研究更加侧重于寻找高导热率、传热性能好的新型工质。

管内流动传热强化技术，除了对换热管束本身结构的改进优化，针对管内流体工质物性的改善也吸引众多学者的关注。要设计进一步优化结构尺寸、改良传热性能的高效紧凑式热交换设备，可以尝试新的思维，将关注点放在新型工质上，研制导热系数高、传热性好的高效新型换热工质。在研究中发现^[1]，纳米流体具有优异的热物性，能够有效地提高流体的热导率，是可应用于热交换系统的高效介质，显示了纳米流体在强化换热领域的巨大应用前景，展示了纳米流体所具有的丰富研究价值和工程运用价值。

1.2 纳米流体特性

纳米流体，即把纳米级金属、金属氧化物或非金属纳米粒子添加到水、醇、油等液体换热介质中，制备成均匀、稳定、高导热的新型换热介质^[1]。由于常温下固体材料的导热系数远大于流体的导热系数，将固体粒子加入流体可提高导热系数。

众所周知，常温下固体材料的导热系数要比流体大几个数量级^[2]。例如：铜的导热系数是水的700倍，是导热油的3000倍。表1.1所示为在300K温度下，常见的几种材料的导热系数。

表1.1 材料导热系数

但是，如果制备流体换热工质的固体材料颗粒粒径太大，那么这样的悬浮液流体系统无法长期稳定，其中的固体粒子容易沉降。甚至可能堵塞和磨损管道，所以无法在工业上普及使用。纳米流体作为一种新型换热工质，有着大颗粒悬浮液所不具有的优势。

1）纳米流体可以增强对流传热效率，通过纳米颗粒与颗粒、颗粒与液体之间相互碰撞作用，增强流动湍流强度，从而强化换热效果。

2）纳米流体中的纳米粒子做布朗运动，从而确保形成稳定而不易沉降悬浮液^[3]，有效避免了大颗粒固体粒子容易产生的堵塞和磨损管道，在一定程度上起到润滑管道的作用。

3）纳米尺度的颗粒具有较大的比表面积，且随颗粒直径减小而增大，因此具有良好的换热能力。同时，由于颗粒尺寸处在纳米级别，材料具有量子效应和小尺寸效应^[2]。

4）纳米尺度的粒子很容易通过微流道，具有宏观的量子隧道效应。

1.3 国内外研究进展

对于纳米流体的研究已有很长的历史，自1995年Choi等人^[1]首次提出了“纳米流体”概念开始，该领域得到了快速的发展。近20年来，李强等人^[4]研究了纳米流体强化传热的机理和性能，针对Cu-水纳米流体管内对流换热系数进行测试，结果表明，在液体中添加纳米粒子显著增加了悬浮液的导热系数，增加了液体的对流换热系数，纳米流体的导热系数随纳米粒子体积份额的增加呈线性增大；且由于纳米材料的小尺寸效应,不会引起大的阻力损失,不会产生磨损、堵塞等不良结果^[3]。何玉荣等人采用单流体模型数值模拟研究了纳米流体的流动和传热特性^[5]。云海涛针对纳米流体圆管内对流换热情况进行了实验研究，分析了纳米流体努塞尔数和对流换热系数等条件对换热过程的影响^[6]。Shoghl等人利用计算流体动力学(CFD)模块，进行了纳米流体池沸腾气泡动力学的实验研究^[7]。Najafabadi等人的研究表明在基液中加入Al2O3纳米颗粒改善系统的传热性能^[8]。Meng等人使用数值方法研究纳米流体自然对流与纳米颗粒沉降耦合问题^[9]。Behroyan等人比较五种CFD模型，进行了Cu -水纳米流体在壁面热流恒定条件下的强迫对流换热数值研究，发现牛顿单相模型和欧拉-拉格朗日两相模型与实验结果一致度较高，为今后研究选择合适的模型提供了有力参考^[10]。

与此同时，王浩昌对石墨烯纳米流体的物理性质和对流传热性能进行实验研究^[11]，刘东等人研究了水基石墨烯纳米流体在矩形小槽道内流动换热特性^[12]，李增恩等人研究分析了水基纳米流体大容积沸腾换热特性^[13]，Zhao等人实验研究了圆柱形槽对纳米流体冷却CPU热效率和熵产影响^[14]。2018年，Sadri等学者使用单相三维CFD模型研究了水平加热管中水性纳米流体的对流传热和摩擦因子特征^[15]，Somasekhar等学者进行了Al2O3-水纳米流体对管壳式换热器强化传热的CFD研究^[16]，Mohammed等学者讨论了沸腾的浓缩盐纳米流体相关特性，并展示了在恒定截面矩形通道中的过冷沸腾特征^[17]。Kim等学者的研究表明随着传热管内纳米流体中Al2O3浓度的增加，努塞尔数增加，普朗特数量减少，传热系数趋于增加；此外，雷诺数增加可导致传热特性增强^[18]。这些研究使得我们对于水基氧化铝的特性有了更加深入的认识。

1.4 纳米流体所面临的问题

纳米材料科学的快速发展使得金属及非金属颗粒可以以纳米级别存在，其特殊的物理化学性质存在着许多问题未能解决，也使纳米流体具有很多可进一步研究的热物理性质。自从纳米流体这一概念提出以来，其已成为工程热物理以及材料学科研究领域的热门方向之一，国内外学者进行了各项相关研究，取得了大量的研究成果，为纳米流体的工程应用提供理论支持。但是，目前对于纳米流体的很多研究结果并没有统一的，存在的主要问题有：

1）纳米流体研究实验结果不一致。纳米流体的材料及制作工艺复杂，实验条件存在差异，导致实验结果无法使用统一标准。而且，各个研究实验所使用的纳米流体结构不一定完全相同，且制备方法也会存在差异。对于相同的实验，不同研究组所得到的结果无法保证一致性，甚至完全相反。

2）纳米流体的制备方法存在差异。怎样才能高效制备纳米流体，并保证其具有良好的稳定性和分散性还需进一步研究。