微通道内纳米流体传热流动特性

为提高微通道散热器的传热效率,需要对微通道进行结构优化设计。以热阻Rt和泵功Pp为目标函数,在Re=100的条件下,采用多目标遗传算法对文丘里管微通道的结构参数,如通道深度、收缩角度、喉颈宽度和扩散角度进行优化,通过遗传迭代计算得到Pareto优化解集,利用k-means聚类法对优化解集进行比较分析,通过强化传热因子η对各聚类点综合性能进行评价,得到最优的微通道结构。采用数值模拟方法,研究优化后的微通道结构的流动与传热特性。结果表明:当去离子水中加入纳米颗粒后微通道内的压降具有小幅度上升,但其流动阻力在相同Reynolds数的条件下并没有发生较大的变化。在文丘里管微通道喉部位置会产生喉部效应,强化纳米颗粒与微通道中流动工质的融合。熵产分析表明,传热熵随着Reynolds数的增大而减小,摩擦熵随着Reynolds数的增大而增大,不过总熵值中主要是传热熵占据主导地位。纳米流体随着体积分数的增加不可逆损失均小于去离子水。

基于高稳定水基石墨烯/骨胶纳米流体的光热转换性能研究

在能源危机背景下,能够将太阳能转换成热能的纳米流体光热材料体系脱颖而出。石墨烯纳米流体具有高稳定性的优点,在光热吸收领域具有良好的应用前景,但石墨烯在基液中易团聚,影响其在石墨烯纳米流体中的更广泛应用。本工作利用球磨法制备石墨烯/骨胶纳米复合材料,两步法制备分散稳定的水基石墨烯/骨胶纳米流体。研究了石墨烯与骨胶之间的质量比对石墨烯/骨胶纳米流体稳定性的影响机制,在此基础上进一步探讨了石墨烯/骨胶纳米流体的浓度对其光热吸收性能的影响。结果表明,石墨烯与骨胶质量比为1∶4时,纳米流体具有高稳定性浓度,浓度为0.009%时石墨烯/骨胶纳米流体的光热转换效率达到98.46%,较去离子水提高了24.31%。同时,研究发现石墨烯/骨胶纳米流体能够达到分散稳定状态且具有良好的光热转换性能。

水基炭黑-胶原蛋白纳米流体制备及稳定性实验

纳米流体由于其优异的光热转换性能,已成为新型太阳能集热介质的研究重点;但因其稳定性差、制备工艺复杂,未能在实际应用中得到推广。本文以去离子水为基液,通过两步法制备炭黑-胶原蛋白纳米流体。探究了材料添加顺序、胶原蛋白种类、超声时间、材料配比以及溶液pH等对纳米流体稳定性的影响。结果表明,制备水基炭黑-胶原蛋白纳米流体时,先分散炭黑再加入胶原蛋白可以提高其稳定性;猪皮胶原蛋白更适用于炭黑-胶原蛋白纳米流体的制备;超声45min,炭黑胶原蛋白质量配比为1/20,悬浮液pH在6.5~7.5之间制备得到的纳米流体稳定性较好。本研究有助于今后水基炭黑-胶原蛋白纳米流体产业化应用于太阳能光热转换领域。

钠基纳米流体中钠原子吸附行为特性模拟计算

钠基纳米流体利用过渡金属纳米颗粒吸附钠原子的性质,有效降低了钠原子的反应性,进而有效抑制钠火及钠水事故严重性,但目前相关吸附行为及规律尚不明确。研究基于密度泛函理论和电子结构分析,计算分析了钛、铁和铜纳米团簇(TM_(n),TM=Ti、Fe、Cu,n=2~13)及其与钠原子间形成复合物(Na-TM_(n))的结构和性质,分析了TM_(n)的稳定性以及其与Na原子间相互作用。结果表明,Ti_(n)具有最高的稳定性,但其吸附钠原子的能力低于Fe_(n)和Cu_(n)。钠原子主要通过范德华作用吸附于TM_(n)表面,且两者间的电荷转移行为使得TM_(n)带负电荷。

基于GA-BP神经网络模型预测水基炭黑-胶原蛋白纳米流体热导率和黏度

纳米流体由于其独特的强化传热性能,已广泛应用于各个领域。而热导率和黏度直接影响纳米流体在实际工程中的适用性,因此在考察纳米流体的强化传热特性前首先要分析研究其热导率和黏度。本研究利用炭黑和胶原蛋白,采用两步法制备了水基炭黑胶原蛋白纳米流体。实验分析了炭黑和胶原蛋白质量分数、温度对纳米流体热导率和黏度的影响。采用灰色关联方法对这些参数的权重进行了数学计算,基于实验数据建立了三输入两输出的BP神经网络预测模型,并利用遗传算法(GA)对BP模型进行优化。结果表明,遗传算法优化后的BP神经网络模型对预测输出具有更高的准确性和更好的稳定性,回归系数和最大偏差分别为0.99918和0.002。本研究不仅对于理解和控制水基炭黑-胶原蛋白纳米流体的热物理性能有重要意义,而且为工程设计和材料科学等方面的应用提供了新思路。

不同分数导数下Maxwell杂化纳米流体流动和传热变化的灵敏度分析

研究多孔介质中垂直拉伸板引起的分数阶Maxwell杂化纳米流体流动与传热现象,并考虑二阶滑移边界条件.利用分数阶剪应力和分数阶Fourier定律构建边界层控制方程.然后采用有限差分结合L1算法进行数值求解,并详细讨论分数导数参数增大时,各物理参数对该流体流动与传热影响的灵敏度变化.结果表明,Darcy数和滑移参数对平均表面摩擦系数的影响,以及滑移参数对平均Nusselt数的影响,对速度分数导数比对温度分数导数更敏感.Darcy数对平均Nusselt数的影响只对温度分数导数敏感,与速度分数导数几乎无关.此外,一阶滑移参数比二阶滑移参数对流动和传热的影响更大.

石墨烯纳米流体微量润滑磨削钨钢的加工性能评价

钨钢因其优异的性能在各种领域中得到广泛应用,但钨钢具有硬度高、难加工等特点,导致磨削时工件表面质量差。为解决这一现状,对钨钢进行了纳米流体微量润滑磨削试验,采用石墨烯纳米流体微量润滑、浇注式和干式3种不同条件对钨钢进行磨削试验,提出了一种正多边形磨削轨迹的组合试验方法,比较磨削速度、进给速度、磨削深度对磨削力、工件表面质量的影响。研究发现,在磨削参数相同的条件下,纳米流体微量润滑下的磨削力最小,浇注式次之,干式最大。在磨削速度v=15 m/s时,与干式和浇注式相比,纳米流体微量润滑条件下的法向磨削力Fn分别降低约25.13%和4.52%,切向磨削力Ft分别降低约28.97%和9.92%,石墨烯纳米流体微量润滑在改善钨钢磨削方面具有显著作用。

石墨烯/铜混合纳米流体对微量润滑车削304不锈钢的影响

为了揭示纳米粒子的协同作用机理,以少层石墨烯为载体,纳米铜作为负载金属粒子,在可生物降解润滑油基础上,分别采用分子水平混合和机械混合方法制备了石墨烯/铜混合纳米流体。在确定的石墨烯/铜比例及纳米粒子的质量分数条件下,进行了微量润滑切削AISI 304不锈钢的单因素试验研究。结果表明,配方合适的分子水平混合纳米流体协同润滑作用优于机械混合纳米流体,MQL加工时可降低切削温度,提高表面质量,减小刀具磨损。

纳米流体和两性表面活性剂改善钻井液性能实验研究

本文研究了碳化硅纳米流体和表面活性剂对水基钻井液物理和化学性质(热稳定性、黏度、表面张力和滤失特性)的影响。将碳化硅纳米流体、表面活性剂溶液和水基钻井液混合形成表面活性剂——碳化硅(Si C)钻井液,分别用流变仪、张力仪和压滤机对混合钻井液的黏度、表面张力和滤失性等性质进行了研究。实验结果表明,与常规表面活性剂相比,两性表面活性剂对钻井液黏度的增量最大,此外,混合钻井液具有更好的热稳定性,随着温度的升高,黏度平均变化率为9%,表面张力和滤失性分别下降了31.0%和22.2%。

纳米流体材料在喷雾冷却中的研究进展

从喷雾冷却技术机理出发,引入纳米流体以解决传热极限问题。论述纳米流体制备的相关研究,针对性地分析纳米流体喷雾冷却技术的科学性及可行性,提出了针对技术机理的优化方案并罗列了目前最新应用案例。揭示此项技术在传热领域的前瞻性,为纳米流体喷雾冷却技术的发展提供了研究思路。

水基石墨烯纳米流体制备及热物理性研究

换热介质的低导热性能已经成为研究高效率传热冷却技术的障碍,相比于传统导热流体,纳米流体有更高的导热系数和换热能力,同时石墨烯具有优异的光、电、热、力学性能。制备了以水为基液,石墨烯纳米粒子填充的纳米流体,研究了水基石墨烯纳米流体的稳定性、黏度、导热系数、光热转换性能等热物性。

黏弹性纳米流体在垂直板上的自然对流与传热分析

基于分数阶Maxwell模型和分数阶Fourier定律构建黏弹性纳米流体在垂直板上的非定常二维边界层自然对流与传热控制方程,利用有限差分和L1算法获得数值稳定解,对不同物理参数下的速度、温度、平均表面摩擦系数和平均Nusselt数的变化趋势进行图形化分析。结果显示,速度和温度边界层均表现出短暂记忆和延迟特性;速度分数导数参数削弱了自然对流,而速度松弛时间的影响却相反;温度分数导数参数削弱了自然对流和热传导,而温度松弛时间的影响却相反。

改性片状纳米流体的洗油效率及机理

纳米流体提高采收率已然成为油气勘探开发的研究热点。利用研发的改性片状纳米流体,在自制的可视化模型中研究固体界面油膜在接触到质量浓度为50mg/L的改性片状纳米流体后的收缩规律,并开展油砂洗油实验,明确50mg/L的改性片状纳米流体在不同条件下的洗油效率。研究结果表明,模拟地层水环境下,固体界面油膜收缩速率较慢,并未出现楔形区域;改性片状纳米流体环境下,固体界面油膜在收缩过程中出现明显的楔形区域,且出现两条接触线:外接触线和内接触线,外接触线的收缩速率为8.5817×10^(-5)cm/s,内接触线的收缩速率为0.6617×10^(-5)cm/s。油砂洗油实验表明,改性片状纳米流体的洗油效率随油砂尺寸的增大和温度的提升逐渐增加,随着油砂浸泡时间的延长先急剧增加后缓慢上升,存在最佳浸泡时间(8±2)h,油砂洗油效率可高达95.7%。该项研究成果突破了只有高浓度球形纳米颗粒才能形成结构分离压力的限制,为片状纳米流体在矿场的应用提供了可能性,也为矿场施工工艺提供了技术参考。

纳米流体提高采收率机理研究现状

与传统的表面活性剂和聚合物溶液相比,纳米流体驱油是一项新的提高采收率技术,但目前机理研究成果较为分散,缺少系统性。因此,结合国内外纳米流体研究情况,总结纳米流体主要提高采收率机理,指出了纳米流体目前所面临的研究难点,展望了纳米材料在今后的攻关方向。研究表明:纳米流体提高采收率机理包括降低油水界面张力,在油水固三相区形成楔形膜,产生结构分离压力,改善流度比扩大波及体积,改变岩石润湿性,增强泡沫稳定性,降低注入压力和选择性调堵孔道;今后可从提高纳米流体稳定性、降低纳米流体成本、提高采收率机理协同性研究以及开发高效纳米驱油体系等方面进行深入探索。该研究为大规模推广纳米流体在提高采收率方面的应用提供了理论基础和实验依据。

Al_(2)O_(3)/SiO_(2)混合纳米流体微量润滑铣削润滑性能评价

由于不同纳米粒子组成的混合纳米流体比单一纳米粒子切削液具有更好的热物理性能,研究了纯Al_(2)O_(3)、纯SiO_(2)和不同质量比混合纳米流体微量润滑(minimum quantity lubrication,MQL)铣削45号钢的切削性能。试验结果表明,混合纳米流体比纯SiO_(2)铣削力降低,接触角减小,工件微观形貌好。不同配比的混合纳米粒子展现出了不同的润滑效果。当Al_(2)O_(3)的配比小于SiO_(2)时,Al_(2)O_(3)纳米粒子未完全包覆住SiO_(2),润滑效果较差。随着Al_(2)O_(3)比例增加,切削力和接触角都显著减小,工件表面质量提高。当Al_(2)O_(3)和SiO_(2)的质量比为3∶1时,得到的铣削力、表面粗糙度和接触角最小,工件表面质量最好。由此可见,Al_(2)O_(3)的含量影响了混合纳米流体的润滑效果。

纳米流体燃料性能调控研究进展

纳米流体燃料是将纳米颗粒添加至液体燃料中形成的一种悬浮液,具有能量密度高、点火延迟时间短等优点,具有改善燃料燃烧特性的潜力。为探寻更为有效的纳米流体燃料性能调控方法,本文回顾了近年来国内外纳米流体燃料性能调控的研究进展,主要介绍了纳米流体的稳定性能、流变性能、蒸发性能、点火性能和燃烧性能调控的研究成果,分析了各种物理和化学调节方法及其基本原理。添加表面活性剂和金属包覆改性是改善纳米流体燃料稳定性能和流变性能的主要方法;点火性能和燃烧性能的调控主要基于提高燃料液滴热传导和热辐射吸收能力、促进金属颗粒自身释热等途径,主要包括添加纳米金属颗粒、纳米金属氧化物及新型亚稳态分子间复合物等。纳米流体燃料的下一步研究应重点围绕拓宽纳米流体燃料界限、探索新型表面活性剂、建立纳米流体燃料点火燃烧理论体系等方面展开。

MIL-101-OH纳米流体混基质膜的制备及其CO_(2)分离性能

随着温室效应导致的全球变暖和海平面上升等环境问题日益严峻,碳捕集利用与封存(CCUS)就显得尤为重要.金属有机框架(MOF)混合基质膜(MMMs)因具有分离效果好、渗透性高的特点而广受关注,但仍存在和聚合物基质相容性差等问题,降低了其潜在的应用价值.本研究采用共价键连接的方式,以MIL-101-OH为主体,以偶联剂KH560为连接层,以聚醚胺M2070为冠状层制备出MIL-101-OH无溶剂纳米流体(MIL-101-OH-M2070),并与Pebax1657制备混合基质膜,研究其CO_(2)分离性能.结果表明,MIL-101-OH和聚醚胺M2070间共价键的连接方式既解决了MOF界面相容性差的问题,同时也提高了聚醚胺机械性能、热稳定性.此外,MIL-101-OH-M2070凭借MIL-101-OH的优良孔隙率和M2070的CO_(2)亲和性,大幅提高了混合基质膜中CO_(2)的扩散系数和溶解系数.相较于Pebax1657纯膜,MIL-101-OH-M2070 MMMs的CO_(2)渗透系数可以达到Pebax1657纯膜的215%,且选择性基本不变.

缩口T型微通道内纳米流体吸收CO_(2)的流动与传质研究

构建了一种气相缩口的T型微通道,研究了二氧化硅(SiO_(2))纳米流体吸收CO_(2)过程的气液两相流动与传质性能。在实验范围内,观察到了泡状流、串珠流、紧密弹状流和弹状-环状流。随着气相流速的增加,泡状流的气泡生成频率f和比表面积a快速增大,串珠流的f和a变化很小,紧密弹状流的f和a逐渐减小。随着连续相和分散相流速的增大以及纳米颗粒浓度的升高,液侧体积传质系数均表现出增大的趋势。与等宽T型通道相比,缩口T型微通道的最大比表面积增幅达29.6%。结果表明气相入口的缩径效应可有效提高气液两相流的传质面积,有利于气液传质性能的改善和提高。

海水基纳米流体分散稳定性和黏度特性研究

以海水为基础液的纳米流体,可作液压介质应用于海洋液压设备,解决传统液压油因海水侵入引起的油液变质问题。以天然海水为基础液,通过两步法制备海水基SiC纳米流体,采用单一变量法探究不同组分配比纳米流体的分散稳定性和黏度特性。结果表明,NaCl会破坏颗粒双电层,降低纳米流体稳定系数,但表面活性剂CMC可吸附在SiC颗粒表面提供空间位阻,使稳定系数在10 d内维持在0.9左右。同时,验证了SiC粒径在40 nm,质量分数在1%左右,CMC质量分数在2%左右,纳米流体分散稳定性最佳。海水基纳米流体的黏度随颗粒添加量的增加而增大,在质量分数>1%时,上升趋势减缓;随着CMC添加量的增多,影响了纳米流体中的微结构,使海水基纳米流体的黏度随CMC质量分数增加而上升,上升趋势为平缓-急剧-平缓;受布朗运动的影响,黏度与温度呈负相关;纳米流体黏度随NaCl质量分数的增加而下降,下降趋势先快后慢。制备的海水基纳米流体具有较好的分散稳定性,可通过调控组分配比得到所需黏度,有助于纳米流体技术的进一步发展。

基于合成双射流的Al_(2)O_(3)纳米流体散热数值研究

使用Al2O3纳米流体对基于合成双射流激励器的通道强化换热进行了数值研究,分析了不同体积分数的纳米流体对通道冷却性能的影响。激励器工作后,膜片往复振动,在射流口产生了交替吸入与喷出的射流并冲击基板,装置的冷却性能大大提高。同时,纳米颗粒的加入增大了流体的导热系数,流体传热性能有所提高,但同时也增加了进出口压降。引入了综合性能评价因子KFOM和整体传热增强度KDTE,发现随着纳米流体体积分数的增加,KFOM和KDTE也增大,这表明使用纳米流体后,整体装置的冷却性能有一定程度的提升。此外,分析了激励器频率和等效振幅对散热的影响,结果表明:频率对装置整体散热性能影响较小;随着等效振幅增大,射流速度增大,芯片温度降低,装置整体冷却性能更好;激励器工作后也同样影响纳米颗粒在通道内的分布情况,每一时刻下纳米颗粒的分布都不尽相同,且聚集在基板底部的纳米颗粒将会增强换热效果,这也是影响整个装置散热性能的重要因素。