纳米流体有效导热系数理论模型及其中高温实验研究

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1、纳米流体有效导热系数理论模型及其中高温实验研究(申请清华大学工学博士学位论文)培养单位：热能工程系学科：动力工程及工程热物理研究生：江海峰指导教师：史琳教授二○一五年六月MathematicalModelandMedium-HighTemperatureExperimentalResearchofNanofluidEffectiveThermalConductivityDissertationSubmittedtoTsinghuaUniversityinpartialfulfillmentoftherequirem

2、entforthedegreeofDoctorofPhilosophyinPowerEngineeringandEngineeringThermophysicsThermophysicsby)JiangHaifengDissertationSupervisor:ProfessorShiLinJune,2015摘要摘要纳米流体是指将纳米颗粒分散到传统热交换介质中形成的一类新的换热工质。纳米流体有效导热系数的研究，是其应用的基础。目前国际上对纳米流体有效导热系数的增强机理还没有统一认识，对各因素特别是温度的影响还不一致

3、，也缺乏较高温度下纳米流体有效导热系数的实验数据与理论分析。本文针对纳米流体有效导热系数进行机理模型和中高温实验研究。本文首先建立了更加接近于物理实际的吸附层内导热系数三次方分布曲线，基于该分布曲线，修正了预测纳米流体有效导热系数的现有数学模型。该模型能更好地吻合实验数据。通过该模型分析了纳米颗粒体积分数和尺寸，吸附层厚度和平均导热系数，纳米颗粒和基液的导热系数等因素对于纳米流体有效导热系数的影响。指出颗粒粒径和吸附层厚度对于纳米流体有效导热系数有明显影响，而颗粒自身导热系数对于纳米流体有效导热系数影响不大。采用空

4、间平均方法及本文提出的吸附层内导热系数分布曲线，分别建立含球形颗粒和碳纳米管的纳米流体有效导热系数模型。与其他模型对比，本模型可以更有效地预测纳米流体有效导热系数。指出吸附层热物理性质及颗粒尺寸和形状对于纳米流体有效导热系数有明显影响。进一步分析了颗粒团聚形态对于纳米流体有效导热系数的影响，并基于团聚理论建立了含碳纳米管的纳米流体有效导热系数模型。该模型比公认的Wiener模型给出的上下限更接近于实验值。同时解释了纳米流体团聚体内颗粒的团聚形态如何影响纳米流体有效导热系数。拓展了国际上现有纳米流体有效导热系数实验数

5、据的温度范围，并开展了中高温下（接近200ºC）纳米流体分散稳定性及有效导热系数的实验。发现纳米流体有效导热系数的增幅并不是随着温度的升高而升高，高温下有效导热系数的增幅低于模型预测值。分析了温度，纳米颗粒体积分数及基液种类对于纳米流体有效导热系数的影响。指出对于含球形颗粒的纳米流体，高温下颗粒布朗运动引起的微对流及颗粒和基液的接触热阻对纳米流体有效导热系数有交互影响。对于含碳纳米管的纳米流体，高温下碳纳米管的不同团聚形态可能是影响纳米流体有效导热系数的重要因素。关键词：纳米流体；导热系数；吸附层；颗粒团聚；中高温

6、IAbstractAbstractNanofluidsthatareproducedbydispersednanoparticlesintotraditionalheattransferfluids,showgreaterthermalconductivitiesthanregularfluids.Nanofluidprovidestheoreticalchallengesbecausethemeasuredeffectivethermalconductivitycontainingafewloadingsofna

7、noparticleshowedgreaterenhancementthantraditionalmodelspredicted.Theeffectivethermalconductivityofnanofluidsasafunctionofnanoparticlevolumefractionhasbeenwidelyinvestigated.However,thetemperaturedependencehasstillnotbeenfullyunderstood,withdataonlyavailableupt

8、oamaximumtemperatureof138ºC.Thisstudytheoreticallyandexperimentallyinvestigatestheeffectivethermalconductivityofnanofluids.Amathematicalmodelfortheinterfacialnanolayerwithanonlinea