布朗运动影响下二维及三维方腔内纳米流体自然对流换热数值研究

【摘要】对于金属或者非金属的纳米级颗粒与基液形成的悬浮液即纳米流体,有关这种新型材料的研究已在理论与工程领域取得了令人瞩目的进展。纳米流体流动换热的基础研究得到了很好的发展与广泛的重视。若考虑布朗运动对纳米流体流动换热的影响,虽然许多国内外学者已研究了布朗运动对纳米流体流动换热影响的机制,但是还有很多值得深入探讨的问题。本文即在这种条件下,采用数值模拟的研究方法,结合已提出的布朗运动影响下纳米流体传热系数的计算模型,对封闭腔体内纳米流体的稳态及非稳态自然对流换热进行数值模拟研究,分别对不同Ra数和不同纳米颗粒体积份额的纳米流体的自然对流流动换热情况进行相关研究和分析。(1)在一侧壁面温度随时间作正弦周期性变化,相对侧壁面维持较低的恒温的热边界条件下,分析充满CuO-水纳米流体的二维方腔内非稳态自然对流换热情况。研究不同Ra数、不同纳米颗粒的体积份额φ对布朗运动影响下非稳态自然对流换热的影响。热壁面温度随时间做周期性变化对封闭方腔内的流体自然对流有着较大的影响,周期内方腔中流体流动会出现由弱变强的第二漩涡,并随着热壁面温度的周期性变化而周期性出现和消失。冷热壁面的几何平均努赛尔数变化曲线呈现周期性正弦变化,与温度边界条件的变化曲线相类似。模拟结果显示,布朗运动影响下Ra数、纳米颗粒的体积份额φ这两个变量的增大对纳米流体自然对流换热有增强作用。(2)在一侧竖直壁面温度保持高温,相对一侧壁面维持稳定的低温的条件下,研究充满Cu0-水纳米流体的二维方腔内稳态自然对流换热情况,分析不同的Ra数、不同纳米颗粒的体积份额φ对布朗运动影响下稳态自然对流换热的影响。模拟结果证明了随着Ra数的增大,纳米流体方腔内的浮升力随之增大,使得二维方腔内的纳米流体自然对流强度增强；并且随着纳米颗粒体积份额φ的增加,纳米流体的导热系数也随之增大,方腔内纳米流体的流动换热强度也显著增强；这两种变量的增加都明显的增强了纳米流体的自然对流换热强度。(3)对充满A1203-水纳米流体的三维腔体,在一侧竖直壁面温度较高,相对一侧竖直壁面维持稳定的较低温度条件下,分析封闭方腔内纳米流体的稳态自然对流换热情况。重点研究Ra数和纳米颗粒体积份额φ对纳米流体稳态自然对流换热的影响。在考虑布朗运动影响的条件下,三维腔体内的流体流动换热情况与二维的相类似。Ra数的增加和纳米颗粒体积份额φ的递增都使三维方腔内流体的自然对流换热得到强化。特别的,在低瑞利数下增强效果不明显；在高瑞利数下,腔体内自然对流换热增强较显著。
【作者】杨雯瑾；
【导师】王刚；
【作者基本信息】兰州理工大学，供热、供燃气、通风及空调工程，2014，硕士
【关键词】纳米流体；自然对流；布朗运动；数值模拟；

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