随着科学技术的不断发展和节能减排的需求提升，热交换系统的传热负荷和传热强度日益增大，热交换设备的结构尺寸限制及使用环境也日益苛刻，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和社会效益。

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。要进一步研制体积小、重量轻、传热性能好的高效紧凑式热交换设备，必须从工质本身入手，研制导热系数高、传热性能好的高效新型换热工质。纳米流体是一种由基液和纳米颗粒（平均粒径低于100nm）组成的稳定均匀的胶体状新型工质。在研究中发现，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，显示了纳米流体在强化换热领域的巨大应用前景。

本设计以水基氧化铝纳米流体为研究对象，对纳米流体管内的流动传热特性进行仿真研究。对于纳米流体的研究已有很长的历史，自1995年Choi等人首次提出了“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^[1]。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^[2]。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^[3]。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^[4]。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^[5]。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^[6]。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^[7]。

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^[8]，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^[9]，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^[10]，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^[11]。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^[12]，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^[13]，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^[14]。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^[15]。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。

本毕业设计将在前人的研究基础上进一步完善和拓展纳米流体的传热特性，着重研究水基氧化铝纳米流体在光滑圆管内的流动传热特性，并将进行相应的对比模拟实验来比较分析纳米颗粒体积分数的影响。

2. 研究的基本内容与方案

基本内容：分析比较单相流和多相流模型的纳米流体计算结果，建立合适的纳米流体仿真计算模型，分析讨论水基氧化铝纳米流体和水在光滑圆管内的强化传热特性，以及不同体积分数的纳米流体的传热特性变化规律。

目标：建立管内流动水基氧化铝纳米流体的传热仿真计算模型。

拟采用的技术方案及措施：本毕设拟采用牛顿单相模型或欧拉-拉格朗日两相模型仿真研究纳米流体的流动特性。计划使用两种模型中较为合适的模型，绘制工程制图，利用ANSYS Fluent分析水基氧化铝纳米流体在光滑圆管内的流动传热特性，并与纯水结果进行比较分析。此外，改变纳米流体的纳米颗粒体积分数进行计算机仿真，使用特征值方法比对，研究体积分数与传热性能的变化规律。

[2] 何玉荣, 韩杰才,Al_2O_3/H_2O纳米流体管内流动和对流换热行为的数值模拟研究. In 第十五届全国复合材料学术会议, 中国黑龙江哈尔滨, 2008; p4.

[3] 云海涛. 纳米流体对流换热实验研究[硕士].天津大学, 2012.