纳米流体绕包裹泡沫金属圆管外流动换热的数值模拟.pdf

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1、第36卷第3期东北电力大学学报Vo1．36，No．32016年6月JournalOfNortheastDianliUniversityJun．，2016文章编号：1005—2992(2016)03—0041—06纳米流体绕包裹泡沫金属圆管外流动换热的数值模拟孙斌，刘阳(东北电力大学能源与动力工程学院，吉林吉林132012)摘要：对纳米流体横掠包裹泡沫金属的圆管进行了二维数值模拟，研究了纳米流体与泡沫金属的双重强化换热作用。通过模拟出的流场及温度场分析泡沫金属包裹厚度、雷诺数Re和纳米流体浓度对换热和阻力系数的影响，对比纳米流体与水、泡沫金属管与光管换热的效果。模拟结果

2、表明：包裹泡沫金属的单管换热效果比普通光管好，纳米流体使换热得到有效强化，随纳米流体体积分数增大，其换热系数比水的换热系数高出2％一15％。在研究范围内，Nu数随包裹泡沫金属厚度增加而增大1．4倍一2．2倍，由纳米流体所引起的压降变化不大，而包裹厚度的增加导致压降增幅较大。关键词：泡沫金属；纳米流体；强化换热；数值模拟中图分类号：TK172．4文献标识码：A泡沫金属因其比表面积大、密度小、导热率高等性能在换热器散热和微通道冷却领域具有很高的应用价值。近年来，为提高换热器换热效率，使用泡沫金属换热器代替传统翅片式换热器已成为换热发展中的最新方向，而纳米流体作为新型强化换

3、热材料介质在热能工程领域拥有巨大的应用前景⋯。陆威等人对泡沫金属填充管内单相流对流换热进行实验研究，结果表明：泡沫金属填充对单相流换热起到显著增强的作用；Mohammad等人对流体穿过方形多孔介质的流场进行数值模拟，讨论了雷诺数和达西数对多孔介质回流区的影响；H．J．xu等人运用双方程模型分析管内填充环装泡沫金属圆管强制对流，研究显示努塞尔数随流速和泡沫金属在管内填充半径的增加而增大；Khaled等人对圆管外包裹不同孔隙率和厚度的多孔介质流动和强化换热的实验表明，随多孔介质层增加换热效果大大增强。程聪等人通过对泡沫金属流动阻力特性和传热特性分析讨论其应用于换热器的良好

4、前景，但同时也指出目前对泡沫金属填充管道中单相对流换热的研究较多，而多相对流传热及相变传热的研究较少。由于传统的低导热系数的纯液体换热工质已经很难满足一些特殊条件下的换热要求，因此需要研制出导热系数高、传热性能好的新型换热工质，纳米流体的引入及研究为强化传热领域带来了新发展和动向。王振等人总结了纳米流体近几年来在微尺度领域换热的研究，并阐述纳米颗粒本身及颗粒改变等方面对换热的强化；Mastaneh等[8人对纳米流体在填充泡沫金属的垂直矩形通道内混合对流进行模拟和实验研究，结果表明：纳米流体在泡沫金属区域没有发生明显沉积，且传热效率随纳米流体浓度的增大而增强。关于对泡沫

5、金属填充在圆管内的研究并不少见，但研究圆管外包裹泡沫金属或将纳米流体作为两相流，对横掠泡沫金属管产生的双重强化换热作用进行分析和模拟研究的较少。本文运用FLUENT14．0软件，建立圆管外包裹泡沫金属的二维模型，首先对模拟值与实验数据和相关经验做公式对比，并研究纳米流体作为两相流流过包裹泡沫金属管外的温度场及速度场，计算得出相关换热系数和阻力系数，比较分析纳米流体体积分数及泡沫金属包裹厚度对强化换热的影响。收稿日期：2016-04-12作者简介：孙斌(1972-)，男，吉林省吉林市人，东北电力大学能源与动力工程学院教授，博士，主要研究方向：多相流理论及应用42东北电力

6、大学学报第36卷1物理模型物理模型如图1所示，根据泡沫金属管所处25D12．5D的二维空间内，管径为D的圆管包裹厚度为mm的铜泡沫金属，孔隙率及孑L径一定。cu—HO纳米流体横掠包裹泡沫金属的定温圆管，人口温度及入口速度一定。左侧为速度人口，右侧为压力出口，人口温度恒定为340K，圆管壁面温度恒定为300K，其它壁面均设为绝热。由于纳米流体颗粒相体积分数小于10％，对纳米流体采用离散相模型进行求解可得到较为准确的结果。2数学模型及相关假设为计算方便，对数学模型作如下简化：假定泡沫三三金属均匀且各向同性；泡沫金属内部固体骨架与流体之间满足局部热平衡；忽略流动的粘性热效应

7、；忽图1物理模型略管壁的导热；流体和固体的物性参数为常数；忽略自然对流和辐射换热；流体不发生相变。基于以上几点假设，结合多孔介质局部非热平衡模型和DARCY—BRINKMAN方程，所述的问题控制方程分别如下所示。非多孔区域部分：一塑：0U，【J一一O，(1)x尼=p~fCnfu，多孔区域部分：譬·)vl一÷SV[P】f+~fV2【一ll警^／Kl，(3)(JD)’[(‘)]=(+k)V+h,ja(一)，(4)式中：为泡沫金属孑L隙率；／x，为纳米流体粘性系数，kg·m～·s～；为泡沫金属渗透率，m；c为惯性系数，kg·m～·s～；，为局部对流换热系数