纳米流体池式沸腾气泡动力学行为研究

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1、纳米流体池式沸腾气泡动力学行为研究王云，武俊梅(西安交通大学航天航空学院，机械结构强度与振动国家重点实验室，710049)摘要：纳米流体是以一定的方式和比例在液体介质（基液）中加入纳米量级的固态颗粒而形成的稳定的悬浮液。相对于基液，纳米流体的热物性在某些方面有显著改善，所以在许多换热系统中都有着潜在的应用价值。目前关于纳米流体强化对流换热、沸腾换热及临界热流密度的研究越来越多。本文采用移动粒子半隐法（MovingParticleSemi-implicitmethod，简称MPS方法）对纳米颗粒体积份额分别为1%和4%的Al2O3/H2O（纳米颗粒粒径

2、分别为38和29nm）和CuO/H2O（纳米颗粒粒径为29nm）纳米流体在较低和较高液体过冷度下池式沸腾过程中气泡的成长、脱离和萎缩冷凝过程进行了数值模拟，并与相同条件下纯水中的情况进行了对比。模拟结果表明：与纯水相比，较低液体过冷度下纳米流体中气泡生长更快，气泡脱离的频率更大，气泡脱离半径也稍变大，单位时间内加热壁面的热流密度更大，说明纳米颗粒的引入可以促进沸腾换热过程气泡的生长和脱离，提高其对壁面的冷却能力。模拟结果还表明在较高流体过冷度下纳米颗粒体积份额为1%的纳米流体比份额为4%的纳米流体中的气泡生长更快，气泡脱离的频率更大，气泡脱离半径更大

3、，单位时间内加热壁面的热流密度更大，这说明增大纳米颗粒的体积份额并不一定对沸腾换热气泡生长、脱离过程有利，而是要选择适宜的浓度，才能强化沸腾换热。关键词：纳米流体；粒子法；气泡动力学；池式沸腾1.前言“纳米流体”的概念于1995年由美国Argonne国家实验室的Choi[1]首先提出。相较于传统工质，纳米流体在强化换热方面有着巨大的优势，尤其是在大功率密度的换热系统中。正因如此，越来越多的学者对纳米流体的物性及其换热特性进行了探索，以期用来提高换热系统的换热效率和安全性。池式沸腾换热作为其中重要的内容，也受到了广泛的关注。You等[2]实验研究发现体

4、积浓度为0.05g/l的Al2O3/H2O纳米流体在池式沸腾情况下CHF显著提高，为纯水的200%。Tu等[3]和Shi等[4]都对Al2O3/H2O纳米流体进行了池式核态沸腾实验研究，实验结果表明池式核态沸腾换热得到了显著的强化。Taylor等[5]的研究也表明纳米流体的核态沸腾换热相对于基液有所增强。而另一方面Das等[6]研究结果表明在相同的系统条件下，与纯水相比，纳米流体的沸腾换热情况有所恶化，并认为在沸腾过程中纳米颗粒改变了加热表面的特性。Bang等[7]对Al2O3/H2O纳米流体池式沸腾换热进行了研究，其结果同样表明纳米颗粒的引入不但没

5、能强化对流换热，反而削弱了池式核态沸腾换热。近年来关于纳米流体沸腾换热的实验研究越来越多，但还未发现从气泡动力学的角度研究纳米流体沸腾换热特性的研究报道。本文利用MPS方法对不同加热壁面过热度、不同液体过冷度、不同纳米颗粒种类、不同纳米颗粒粒径，不同纳米颗粒体积份额的池式沸腾过程中气泡的成长、脱离以及萎缩冷凝过程进行了数值模拟，并与相同条件下纯水中的气泡成长、脱离及萎缩冷凝过程进行对比。探索纳米流体对沸腾换热的影响机理，为进一步筛选适宜的纳米流体、加速纳米流体的工程应用提供指导。2.物性模型及数值模拟方法2.1物性模型影响沸腾换热的流体的物性包括流体

6、的密度、定压比热容、热传导系数、粘性系数、表面张力等。本文选取目前研究较多的两种纳米流体——Al2O3/H2O和CuO/H2O，进行池式沸腾过程中气泡行为的模拟研究，所选用的物性模型如下：（1）热传导系数：纳米流体热传导系数的提高主要源于纳米颗粒的布朗运动和颗粒表面的微对流等，Corcione[8]综合不同种类（Al2O3,CuO,TiO2和Cu）、不同粒径范围的纳米颗粒弥散在水或乙二醇中形成的纳米流体的热传导系数的实验数据，在考虑微对流的情况下，归纳出式(1)所示的无量纲热传导系数经验公式。0.40.66100.030.66k/k=1+4.4ReP

7、r(T/T)(k/k)(0)nfffrpf式中，kp和kf分别为纳米颗粒和基液的热传导系数，kB为波尔兹曼常数（Boltzmannconstant），Re称为纳米颗粒雷诺数，按式(2)计算，dp为纳米颗粒的直径，Ф为纳米颗粒的体积份额，Pr为基液的普朗特数，Tfr为对应压力下基液的冰点温度。2RekTd/()(0)fBfp（2）动力粘性系数：纳米颗粒的布朗运动虽然提高了纳米流体热传导系数，但也因此增大了纳米流体的动力粘性系数，Corcione[8]基于实验结果，考虑到温度、颗粒直径、基液种类以及份额，归纳出式(3)，不难看出纳米颗粒的粒径和

8、动力粘性系数呈负相关关系。0.31.03()/[134.87(Tdd/)](0)nffpf式中η