徐 淼,崔文政,白敏麗,卞永寧,張 亮,呂繼組

(1.大連理工大學(xué)能源與動(dòng)力學(xué)院,遼寧大連 116023;2.大連理工大學(xué)工程力學(xué)系,遼寧大連 116023)

0 引 言

目前,全球工業(yè)飛速發(fā)展,能源問(wèn)題日益突出,熱交換系統(tǒng)的傳熱強(qiáng)度和傳熱負(fù)荷逐漸增大,普通的風(fēng)冷和水冷已經(jīng)很難滿足其散熱要求,低導(dǎo)熱系數(shù)的傳熱工質(zhì)已經(jīng)成為研究新一代高效傳熱冷卻技術(shù)的主要障礙,將來(lái)必須要從工質(zhì)本身入手研制導(dǎo)熱系數(shù)高、傳熱性能好的新型高效換熱工質(zhì)。

美國(guó)Argonne國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的Choi[1]在1995年首先提出納米流體的概念,即將適量金屬或者非金屬的納米粒子和液體通過(guò)一定方法混合后形成的均勻懸浮液,添加納米粒子后,液體的導(dǎo)熱性能得到顯著提高,具有優(yōu)良的熱力學(xué)性能,在流動(dòng)換熱方面有著巨大的應(yīng)用前景。宣益民等[2-3]對(duì)Cu-水納米流體在常規(guī)管和小通道扁管內(nèi)的流動(dòng)和對(duì)流換熱特性進(jìn)行了研究,發(fā)現(xiàn)添加納米粒子可增大液體的管內(nèi)對(duì)流換熱系數(shù),但其流動(dòng)阻力并未明顯增大,表明在水中添加少量納米粒子不會(huì)引起附加的阻力損失。戴聞亭等[4]對(duì)細(xì)圓管內(nèi)納米流體的流動(dòng)特性和對(duì)流換熱特性進(jìn)行了研究,發(fā)現(xiàn)納米流體的流動(dòng)阻力隨著溫度、粘度以及液體流動(dòng)狀態(tài)的變化,也會(huì)有一定的影響。

目前關(guān)于納米流體流動(dòng)換熱特性的研究較多[5-6],但均未從可視化角度揭示其強(qiáng)化機(jī)理,筆者將通過(guò)可視化的方法對(duì)納米流體在波壁管內(nèi)流動(dòng)特性進(jìn)行說(shuō)明。由于波壁管的結(jié)構(gòu)特點(diǎn),管內(nèi)流體易于產(chǎn)生流動(dòng)分離,實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn),隨著雷諾數(shù)的逐漸增大,流體流動(dòng)出現(xiàn)了3種不同的流動(dòng)形態(tài),即層流、過(guò)渡流和湍流。

實(shí)驗(yàn)首次將納米流體應(yīng)用于波壁管中,對(duì)SiO2-水納米流體在波壁管內(nèi)進(jìn)行流動(dòng)阻力特性及可視化的實(shí)驗(yàn)研究,旨在探索不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)SiO2-水納米流體流動(dòng)阻力特性的影響及流態(tài)轉(zhuǎn)變的規(guī)律,這一研究對(duì)于揭示納米流體強(qiáng)化傳熱機(jī)理具有重要意義。

1 納米流體的制備

在納米流體制備過(guò)程中,如何使納米顆粒均勻穩(wěn)定的分散在液體介質(zhì)中,形成分散性好、穩(wěn)定性高的納米流體是十分關(guān)鍵的。一般來(lái)說(shuō),有3種方法[7]用來(lái)解決納米流體的懸浮穩(wěn)定性問(wèn)題：一是要使用表面活性劑和分散劑;二是使用超聲振動(dòng);三是要改變懸浮液的pH值。所有這些方法的目的在于通過(guò)改變粒子的表面活性,抑制粒子團(tuán)聚的發(fā)生,以獲得懸浮穩(wěn)定的納米流體。實(shí)驗(yàn)所用的納米流體是在去離子水中添加不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的SiO2粉末,粒徑為20～40nm,然后加入相應(yīng)份額的分散劑,最后經(jīng)過(guò)60min的超聲乳化制備而成的,配制的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)為2%的SiO2-水納米流體在室內(nèi)環(huán)境下放置10天后(圖1所示)沒有發(fā)現(xiàn)明顯分層現(xiàn)象。

圖1 質(zhì)量分?jǐn)?shù)2%的SiO2-水納米流體照片F(xiàn)ig.1 Images of 2%SiO2-water nanofluids

根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求,對(duì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%的SiO2-水納米流體進(jìn)行稀釋,分別配制質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5%、1%、1.5%、2%的SiO2-水納米流體待用。

2 SiO2-水納米流體粘度測(cè)量

2.1 測(cè)量?jī)x器

測(cè)量粘度的儀器采用美國(guó)BROOKFIELD公司生產(chǎn)的DV-II+Pro型錐板式粘度計(jì),配套控溫設(shè)備為美國(guó)BROOKFIELD公司 TC-102D-230(單熱型)恒溫油浴。錐板粘度計(jì)的測(cè)量原理是通過(guò)一個(gè)經(jīng)校驗(yàn)過(guò)的鈹-銅合金的彈簧帶動(dòng)一個(gè)轉(zhuǎn)子在流體中持續(xù)旋轉(zhuǎn),旋轉(zhuǎn)扭矩傳感器測(cè)得彈簧的扭變程度即扭矩,它與浸入樣品中的轉(zhuǎn)子被粘性拖拉形成的阻力成比例,扭矩因而與液體的粘度也成正比,所以可以通過(guò)測(cè)得扭矩得到試樣的粘度。試樣溫度可通過(guò)恒溫油浴槽精確控制,其溫度波動(dòng)范圍為±0.1℃。

測(cè)量樣品的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0.5%、1%、1.5%、2%的SiO2-水納米流體。

2.2 測(cè)量結(jié)果及分析

測(cè)量結(jié)果如圖2所示,相同溫度條件下SiO2-水納米流體粘度隨著質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加而增大,相同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的納米流體,粘度隨著溫度的升高而減小,且在全溫度段內(nèi)變化趨勢(shì)相同。室溫20℃時(shí),質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5%、1%、1.5%、2%的 SiO2-水納米流體粘度相對(duì)于去離子水的粘度分別增加了 3.9%、7.9%、13.8%和18.8%。

圖2 SiO2-水納米流體粘度Fig.2 Viscosity of SiO2-water nanofluids

3 波壁管內(nèi)流動(dòng)測(cè)試

3.1 波壁管測(cè)試系統(tǒng)技術(shù)參數(shù)

實(shí)驗(yàn)研究所用測(cè)試段由入口段、波壁管及出口段三部分組成,其中入口段和出口段的直徑均與波壁管的最大直徑相同。入口段的主要作用是使進(jìn)入波壁管的流動(dòng)獲得充分的發(fā)展空間,以消除入口效應(yīng)。為了便于觀察流體流動(dòng)情況,整個(gè)波壁管全部以高度透明、易于加工的有機(jī)玻璃材料制成。如圖3所示,軸對(duì)稱的波壁管由14個(gè)完整的波段組成,每個(gè)波段波長(zhǎng)λ=14mm,壁面振幅2a=3.5mm,最大直徑Dmax=10mm,最小直徑Dmin=3mm。

研究所用定常流場(chǎng)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)主要由蓄水箱、離心泵、轉(zhuǎn)子流量計(jì)、測(cè)試段、及熱交換器等構(gòu)成,如圖4所示。工作流體由離心泵從蓄水箱中抽取,其凈流量通過(guò)轉(zhuǎn)子流量計(jì)控制;在出口端設(shè)置溢流槽以消除重力的影響,從而保證流動(dòng)狀態(tài)由層流向湍流轉(zhuǎn)捩時(shí)不受外界條件的干擾,能夠觀察到穩(wěn)定的流動(dòng)過(guò)程,工作流體的溫度由熱交換器維持恒定在20℃。

圖3 測(cè)試段及各模塊的幾何尺寸Fig.3 Dimensions of the wavy-walled tube and details of employed modules

圖4 定常流場(chǎng)實(shí)驗(yàn)流程簡(jiǎn)圖Fig.4 Experimental setup for steady flow

3.2 沿程阻力測(cè)量系統(tǒng)

在沿程阻力的實(shí)驗(yàn)研究中,利用U型管壓差計(jì)對(duì)流路兩端的壓力差進(jìn)行測(cè)量。測(cè)量中將U型管壓差計(jì)分別與流路入口和出口的測(cè)試點(diǎn)相連,如圖5所示。進(jìn)入測(cè)試段前的入口長(zhǎng)度為1130mm,入口效應(yīng)可以忽略不計(jì),U型管內(nèi)裝有四氯化碳(CCl4)的指示液。當(dāng)流體流入U(xiǎn)型管內(nèi),如果管兩端的壓力不等,則指示液就在U型管兩端出現(xiàn)高差Δh,利用Δ h的數(shù)值,再根據(jù)靜力學(xué)基本方程式,就可算出液體兩點(diǎn)間的壓力差。

圖5 壓力差測(cè)量系統(tǒng)Fig.5 Pressure drop measurement system

3.3 流動(dòng)可視化拍攝系統(tǒng)

流動(dòng)可視化拍攝系統(tǒng)如圖6所示,為了獲得軸對(duì)稱的截面內(nèi)流體的流動(dòng)情況,在蓄水箱中添加直徑為40μ m左右的鋁粉,使之作為示蹤粒子與已經(jīng)配置好的SiO2-水納米流體混合制成工作流體。用一個(gè)10W的應(yīng)急燈,使其光源沿一條平行于對(duì)稱軸方向的窄縫射入所要觀察的截面,然后用一臺(tái)與光敏傳感器相連的數(shù)碼相機(jī)來(lái)獲取流體跡線的可視化照片,從而記錄流動(dòng)的流型。

圖6 流動(dòng)可視化拍攝系統(tǒng)示意圖Fig.6 Flow visualization system

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果和討論

4.1 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理

與壓力降有關(guān)的摩擦系數(shù)的公式定義如下

式中,L為兩測(cè)壓孔間的距離,且L=330mm;Δp為流路全長(zhǎng)的壓力差,在此表示為

式中 ,ρ′是 20℃時(shí) CCl4的密度,ρ′=1595kg/m3;ρ為工作流體的密度,可以用天平稱量法獲得。管內(nèi)流速u的計(jì)算公式如下

式中,QS為定常流的流量,Dmax為管道最大直徑。

波壁管內(nèi)流體流動(dòng)的雷諾數(shù)可以表示為

式中,u為流體在最大橫截面處的速度,ν為流體的運(yùn)動(dòng)粘度,ρ為工作流體的密度,μ為工作流體的動(dòng)力粘度。

4.2 定常流場(chǎng)流動(dòng)可視化

為了能夠?qū)軆?nèi)的流體流動(dòng)結(jié)構(gòu)和流動(dòng)特性進(jìn)行全面考察,通過(guò)可視化實(shí)驗(yàn)得到了定常流場(chǎng)下質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為1%和2%的SiO2-水納米流體與去離子水的對(duì)比流型。根據(jù)對(duì)流體層流、過(guò)渡流和湍流的仔細(xì)觀察,從下游第5個(gè)波段一直到后面的波段,流動(dòng)行為幾乎相同,意味著當(dāng)流動(dòng)進(jìn)入到第5個(gè)波段以后可以被認(rèn)為是充分發(fā)展的。因此,后面所有的可視化實(shí)驗(yàn)結(jié)果都攝自第11個(gè)波段。通過(guò)可視化照片觀察發(fā)現(xiàn)：不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的納米流體,即使在相同雷諾數(shù)的條件下,產(chǎn)生旋渦的位置和旋渦尺寸大小也略有不同,而旋渦是由于邊界層分離造成的,可借以觀察流體混合強(qiáng)度即流場(chǎng)縱向均勻性。

如圖7所示,當(dāng)Re=78時(shí),納米流體與去離子水在波壁管內(nèi)中心主流非常穩(wěn)定,兩邊旋渦對(duì)稱,都處于層流狀態(tài),但仔細(xì)觀察發(fā)現(xiàn),納米流體的旋渦要比去離子水的旋渦中心略有提前,原因可能是由于納米流體粘度略大于水的粘度,不容易產(chǎn)生流動(dòng)分離。當(dāng)Re=138時(shí),中心主流受到擾動(dòng),指示液所形成的流線開始擺動(dòng)成為不規(guī)則波浪形,這種擺動(dòng)反映了流動(dòng)不僅具有沿管軸的速度,而且還生成了垂直管軸的分速度,呈現(xiàn)出非周期性的不穩(wěn)定流動(dòng)特征,進(jìn)入過(guò)渡流狀態(tài),可以明顯看出相同雷諾數(shù)條件下,納米流體的縱向運(yùn)動(dòng)相對(duì)于去離子水顯得更加劇烈,質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%的SiO2-水納米流體劇烈程度又明顯高于1%SiO2-水納米流體。當(dāng)Re=238時(shí),中心主流流動(dòng)都出現(xiàn)混亂,主流與旋渦之間發(fā)生了明顯的流動(dòng)交換,整個(gè)流動(dòng),完全沒有秩序,因而都處于湍流狀態(tài)。通過(guò)可視化實(shí)驗(yàn)可以看出,納米流體與水的不同之處在于,納米流體在波壁管內(nèi)流動(dòng)顯得更加活躍,縱向混合更加均勻,旋渦數(shù)量增多,質(zhì)量傳遞特性增強(qiáng),主要原因是內(nèi)部納米粒子的微運(yùn)動(dòng)促使流體均勻性更好,納米流體的質(zhì)量分?jǐn)?shù)越高,粒子效應(yīng)就越明顯。

圖7 SiO2-水納米流體流動(dòng)可視化Fig.7 Flowvisualizations of SiO2-water nanofluids

4.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

實(shí)驗(yàn)中利用沿程阻力測(cè)量系統(tǒng),分別測(cè)量了去離子水和納米粒子質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5%、1%、1.5%、2%的SiO2-水納米流體在Re=20～900范圍內(nèi)的壓力差。結(jié)果如圖8所示,納米流體的壓力差隨著雷諾數(shù)的增加而增大,在相同雷諾數(shù)的條件下,納米流體的質(zhì)量分?jǐn)?shù)越大,壓力差就越大。

圖8 壓力差與雷諾數(shù)的關(guān)系Fig.8 Relationship between pressure drop and Reynolds number

根據(jù)實(shí)驗(yàn)測(cè)得的壓力差數(shù)據(jù),結(jié)合公式(1),可以計(jì)算出納米流體在波壁管內(nèi)的摩擦系數(shù),如圖9(a)所示,摩擦系數(shù)曲線很明顯分為三個(gè)趨勢(shì),以水為例,在Re＜115時(shí)的低雷諾數(shù)區(qū)域,摩擦系數(shù)隨雷諾數(shù)增加而減小;在115＜Re＜195時(shí),摩擦系數(shù)隨雷諾數(shù)的增加經(jīng)過(guò)最低點(diǎn)而逐漸上升;當(dāng)Re＞195時(shí),隨雷諾數(shù)的增加,摩擦系數(shù)變化較小。由此可以判定,水在波壁管內(nèi)Re＜115時(shí)的流動(dòng)范圍為層流區(qū)域;Re＞195的流域?yàn)橥牧髁饔?115＜Re＜195的流動(dòng)范圍即為過(guò)渡流流域。對(duì)于納米流體在波壁管內(nèi)的流動(dòng)趨勢(shì)整體上看與水相似,基本上也分為3個(gè)區(qū)域,只不過(guò)是不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的納米流體轉(zhuǎn)捩點(diǎn)不一致,質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5%的SiO2-水納米流體轉(zhuǎn)捩點(diǎn)為Re=90,隨著質(zhì)量分?jǐn)?shù)的的提高,轉(zhuǎn)捩點(diǎn)有向后移動(dòng)的趨勢(shì),但是都比去離子水的轉(zhuǎn)捩點(diǎn)提前。

圖9(b)所示為層流區(qū)流體摩擦系數(shù)隨雷諾數(shù)變化曲線圖,對(duì)于納米流體來(lái)說(shuō),其摩擦系數(shù)均比水大,并且相同雷諾數(shù)下高質(zhì)量分?jǐn)?shù)納米流體(2%)的摩擦系數(shù)要比低質(zhì)量分?jǐn)?shù)(0.5%)的摩擦系數(shù)大,表明在波壁管層流段范圍內(nèi),納米流體摩擦系數(shù)隨質(zhì)量分?jǐn)?shù)的提高有增加的趨勢(shì)?？赡艿脑蚴窃趯恿鞫?因?yàn)榱黧w流速較低,摩擦系數(shù)隨壁面剪切力影響較大,而壁面剪切力與流體動(dòng)力粘度有直接關(guān)系,所以摩擦系數(shù)隨著流體動(dòng)力粘度增加,也就是質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加而增大。

圖9 摩擦系數(shù)與雷諾數(shù)的關(guān)系Fig.9 Relationship between overall friction factor and Reynolds number

隨著雷諾數(shù)的提高,流動(dòng)開始向湍流區(qū)過(guò)渡,如圖9(c)所示,在過(guò)渡區(qū)內(nèi)流體摩擦系數(shù)隨著雷諾數(shù)的提高而增大,相同雷諾數(shù)下納米流體的摩擦系數(shù)依然略高于水的摩擦系數(shù),但是不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的納米流體摩擦系數(shù)變化特性不明顯;當(dāng)Re＞195時(shí),流動(dòng)進(jìn)入湍流區(qū),如圖9(d)所示,在湍流區(qū)內(nèi)流體摩擦系數(shù)隨著雷諾數(shù)的提高變化不大。

5 結(jié) 論

全面闡述了SiO2-水納米流體在波壁管內(nèi)的流動(dòng)特性,通過(guò)流場(chǎng)可視化照片發(fā)現(xiàn)相同雷諾數(shù)條件下,納米流體的混亂程度明顯高于去離子水,納米流體的質(zhì)量分?jǐn)?shù)越高,粒子效應(yīng)越強(qiáng)烈,混亂程度越明顯。通過(guò)對(duì)波壁管內(nèi)納米流體摩擦系數(shù)測(cè)定,發(fā)現(xiàn)在層流區(qū)內(nèi)摩擦系數(shù)隨納米流體質(zhì)量分?jǐn)?shù)的提高而增大,相同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的納米流體,摩擦系數(shù)隨著雷諾數(shù)的增大而減小;在過(guò)渡流和湍流區(qū)內(nèi)納米流體的摩擦系數(shù)隨質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加變化不大。

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