方腔内CuAl-2O-3水混合纳米流体自然对流格子Boltzmann模拟

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1、物理学报ActaPhys.Sin.Vol.64,No.2(2015)024703方腔内Cu/Al2O3水混合纳米流体自然对流的格子∗Boltzmann模拟齐聪1)y何光艳1)李意民1)何玉荣2)1)(中国矿业大学电力工程学院,徐州221116)2)(哈尔滨工业大学能源科学与工程学院,哈尔滨150001)(2014年6月8日收到;2014年7月22日收到修改稿)纳米流体作为一种较高的导热介质,广泛应用于各个传热领域.鉴于纳米颗粒导热系数和成本之间的矛盾,本文提出了一种混合纳米流体.为了研究混合纳米流体颗粒间相互作用机理和自

2、然对流换热特性,在考虑颗粒间相互作用力的基础上,利用多尺度技术推导了纳米流体流场和温度场的格子Boltzmann方程,通过耦合流动和温度场的演化方程,建立了Cu/Al2O3水混合纳米流体的格子Boltzmann模型,研究了混合纳米流体颗粒间的相互作用机理和纳米颗粒在腔体内的分布.发现在颗粒间相互作用力中,布朗力远远大于其他作用力,温差驱动力和布朗力对纳米颗粒的分布影响最大.分析了纳米颗粒组分、瑞利数对自然对流换热的影响,对比了混合纳米流体(Cu/Al2O3-水)与单一金属颗粒纳米流体(Al2O3-水)的自然对流换热特性,

3、发现混合纳米流体具有更强的换热特性.关键词:混合纳米流体,颗粒间相互作用力,格子Boltzmann模型,自然对流PACS:47.61.Jd,47.61.–k,44.25.+fDOI:10.7498/aps.64.024703纳米流体的自然对流被广泛应用于电子元件的冷1引言却、换热器、凝固和融化、晶体增长等领域.人们利用传统的各种模拟手段,对腔体内纳米流体的自然自从美国Argonne国家实验室[1]配制出纳米对流现象进行了大量的研究[9−14].流体以来,学者们开始大量研究了纳米流体的热物格子Boltzmann方法是一种新

4、兴的模拟方法,性参数和流动传热特性.李屹同等[2]配制了水基随着计算机的迅速发展,格子Boltzmann方法的优ZnO纳米流体,并测量了其电导和热导性能.Ah-势将会更加明显地体现出来,并被广泛应用于各个mad等[3]对纳米流体层流边界层的流动和换热进领域[15−17].因此,许多学者发展了许多适合用于行了研究.Salem等[4],Hayat等[5]和Khalili等[6]纳米流体的格子Boltzmann模型[18−23],并利用格分别对在磁场作用下的纳米流体的流动和换热进子Boltzmann方法对纳米流体的自然对流进行

5、了行了研究.Xiao等[7;8]发展了一种适用于纳米流体大量的模拟.沸腾换热的模型,并对纳米流体的沸腾换热进行了周陆军等[24]综合采用两相和单相Boltzmann研究.与普通流体相比,一方面,在纯流体中添加方法对CuO-水纳米流体的多相流动进行了数值金属或金属氧化物纳米颗粒,使流体具有更高的导模拟.郭亚丽等[25]采用Boltzmann方法对矩形热系数,另一方面,纳米流体中的纳米颗粒的布朗腔内Al2O3-水纳米流体的自然对流进行了数值运动破坏了层流边界层的流动,加强了换热.因此,模拟.Kefayati等[26],Lai

6、和Yang[27],Guiet等[28],中央高校基本科研业务费专项资金(批准号:2014QNA23)资助的课题.†通信作者.E-mail:qicongkevin@163.com©2015中国物理学会ChinesePhysicalSocietyhttp://wulixb.iphy.ac.cn024703-1物理学报ActaPhys.Sin.Vol.64,No.2(2015)024703[29]Fte′Nemati等采用单相格子Boltzmann方法分别+m·+tF;(1)Bc2对腔体内不同的纳米流体的自然对流进

7、行了数值′(e−u)eq模拟.F=G·f;(2)p在基液中加入单一金属或金属氧化物纳米颗式中,为速度场的无量纲松弛时间,r为空间f粒,与基液的导热系数相比,纳米流体的导热系数位置矢量,e为格子速度,t为时间,t为时间步确实得到了明显的提高.但是,市面上的金属或长,f(r;t)为速度场的分布函数,feq(r;t)为平金属氧化物纳米颗粒的种类繁多,其导热系数的衡态分布函数,m为未知系数,F为耦合速度场高低也不尽相同,价格也随之不同.一般价格较低和温度场的外力项,B为速度系数,c为格子速度;的纳米颗粒,其导热

8、系数也较低,而导热系数较高G=−(T−T0)g为有效外力,g为重力加速度,的纳米颗粒,其价格也相应较高.为了以适中的成为热膨胀系数;T为流体的温度,T0为高温壁面本获得较大的导热系数,本文选用成本、导热系数和低温壁面的平均值,u为各相(上角标=1;2,相对较低的氧化铝AlO(k=25W·mK−1)纳米231代表液