孫 斌，曲 藝

(東北電力大學(xué) 能源與動力工程學(xué)院，吉林 吉林 132012)

Al-水納米流體沖擊射流流動換熱特性研究

孫 斌，曲 藝

(東北電力大學(xué) 能源與動力工程學(xué)院，吉林 吉林 132012)

實驗以Al-水納米流體為工質(zhì)對沖擊射流冷卻系統(tǒng)的綜合性能進行了研究，主要研究了納米流體與水在不同流速、不同射流條件下沖擊射流的換熱效率并分析了對于分散劑對射流工質(zhì)影響。結(jié)果表明：對于添加了納米流體的沖擊射流冷卻系統(tǒng)，射流換熱效率得到顯著提高，但對于系統(tǒng)的壓降并沒有很大的改變。對比不同的射流條件：存在一個特定的射流高度，使換熱系數(shù)達到最大值；換熱面的形式對沖擊射流有著明顯影響，內(nèi)弧面換熱面可以有效提高沖擊射流的換熱系數(shù)。

納米流體；沖擊射流；高效換熱

沖擊射流是解決傳熱問題的有效途徑之一[1]。與層流流動相比，流體射流具有更高的熱質(zhì)交換能力并且沖擊射流易于控制的沖擊換熱區(qū)域[2]。Bardbury[3]對單孔自由射流的流動機理進行了探索，研究了單孔自由射流典型的速度分布形式及軸向速度的衰減規(guī)律。實驗結(jié)果表明，在單孔自由射流的中心區(qū)，流體的速度高、波動大，而且湍流度非常高，因此具有極大的強化換熱潛力。Stevens[4]為了得到噴嘴形狀對沖擊射流換熱效果的影響，研究了管狀噴嘴和孔型噴嘴的噴射換熱性能。實驗結(jié)果表明，孔型噴嘴的射流紊流度較大，導(dǎo)致沖擊射流的傳質(zhì)率和換熱系數(shù)比管狀噴嘴高。

納米流體是以一定的方式和比例在基液(水、酒精等)中添加納米級金屬或非金屬氧化物粒子，形成的一類具有高導(dǎo)熱系數(shù)的均勻穩(wěn)定的新型傳熱工質(zhì)[5]。納米流體以優(yōu)異的導(dǎo)熱性與穩(wěn)定性，為沖擊射流的工質(zhì)提供了新的選擇[6]。研究表明，將納米級固體金屬或金屬氧化物顆粒添加，基液中會明顯提高其換熱效率[8]。在納米流體沖擊射流的相關(guān)研究中，Huang[7]進行了Al2O3-水納米流體浸沒式?jīng)_擊射流換熱實驗，對比了不同流流速、噴射距離下?lián)Q熱系數(shù)及壓力損失。

以往的研究已經(jīng)表明，添加了納米流體的射流裝置，可以提高對換熱系數(shù)，但是具體何種射流結(jié)構(gòu)為納米流體射流的較為有效結(jié)構(gòu)，相關(guān)實驗并沒有說明。本文主要以Al納米顆粒制備的納米流體進行實驗，將得到的一些相關(guān)數(shù)據(jù)對納米流體的傳熱特性進行討論，確定射流實驗中分散劑適用種類及配比量，具有較高的工程實用意義。

1 實驗系統(tǒng)及測量方法

1.1 納米流體的制備

首先，本實驗對分散劑的添加量和種類對納米流體穩(wěn)定性的影響做了研究。制備了不同工況的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.1%Al-水納米流體。此過程中選用的分散劑分別為十二烷基苯磺酸鈉(SDBS)、阿拉伯樹膠粉和十六烷基三甲基氯化銨(1631氯)，分散劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0.00%、0.02%、0.04%、0.06%、0.08%、0.10%、0.12%、0.14%。

圖1 Al-水納米流體不同分散劑種類和添加量時的穩(wěn)定性

從圖1可以看出添加SDBS的納米流體穩(wěn)定性顯著優(yōu)于其他兩種分散劑，且添加比例為1∶1時，分散效果最佳。因此本實驗在制備Al-水納米流體的時候，將選用SDBS作為分散劑。

1-儲液箱；2-磁力離心泵；3-轉(zhuǎn)子流量計；4、5-閥門；6-預(yù)熱段；7-壓差計；8-射流實驗段；9-陶瓷加熱芯；10-數(shù)據(jù)采集器；11-計算機；12-冷卻段圖2 實驗系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

采用兩步法制備納米流體，利用透射比分析質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.1%，0.2%，0.3%，0.4%，0.5%的Al-水納米流體的穩(wěn)定性[8]。經(jīng)重力沉降后的納米流體，吸取上層清液，在分光光度計中進行透射率測定。 經(jīng)測定制備的納米流體在24小時內(nèi)都較為穩(wěn)定，沒有發(fā)生明顯的團聚沉淀現(xiàn)象。

1.2 實驗系統(tǒng)

實驗系統(tǒng)如圖2所示流程如下：將制備好的納米流體放入儲液箱中，由揚程為30 m的磁力泵提供循環(huán)動力，采用渦輪流量變送器測量流體體積流量。納米流體經(jīng)預(yù)熱段預(yù)熱為恒定25攝氏度后進入實驗測試段進行換熱實驗。將四個熱電阻分別布置在射流入口處、射流出口處和紫銅圓柱中心及二分之一半徑處，從而測量流體入口溫度、流體出口溫度以及紫銅圓柱的溫度。兩個功率為50 W的陶瓷加熱芯對稱放置在紫銅圓柱二分之一半徑處，用來提供熱量。為降低測量誤差，紫銅柱體內(nèi)部的陶瓷加熱芯以及熱電阻都涂抹導(dǎo)熱膏減小其傳熱熱阻。紫銅柱體外包裹石棉進行保溫，紫銅換熱面分別進行三種處理，如圖3所示，分別為鏡面打磨處理、深2 mm的光滑內(nèi)凹弧面和深2 mm同心圓凹槽。壓差計，流量計和熱電阻所采集的數(shù)據(jù)通過USB-4716數(shù)據(jù)采集器輸入電腦，進行實時檢測記錄。

圖3 三種射流換熱面

2 數(shù)據(jù)處理與不確定性分析

采用牛頓(Newton)冷卻公式，流體流動的傳熱系數(shù)可寫為

(1)

流體的平均溫度采用下式計算：

(2)

由于熱電阻測點與換熱面具有一定距離，可能導(dǎo)致熱電阻測溫面與實際的射流沖擊換熱表面溫度不一致，而且這種溫度不一致性隨著熱流密度的增大而增大。為了減少實驗誤差，應(yīng)考慮紫銅塊熱阻的影響：

(3)

(4)

努塞爾數(shù)Nu定義為：

(5)

本實驗使用的不同濃度的納米流體導(dǎo)熱系數(shù)knf均由DRE-Ш型導(dǎo)熱系數(shù)測定儀測量。

雷諾數(shù)定義為：

(6)

其中，納米流體的密度ρnf[9]為：

ρnf=(1-φ)ρbf+φρ，

(7)

由于納米流體的體積分?jǐn)?shù)難以精準(zhǔn)測定，本實驗由納米流體質(zhì)量分?jǐn)?shù)進行計算：

(8)

為了得到更準(zhǔn)確的實驗結(jié)果，需要對系統(tǒng)進行誤差分析及不確定度評估[10]，使用儀器的參數(shù)及不確定度見表1，變量的不確定度見表2。

表1 儀器的參數(shù)及不確定度

表2 實驗變量及其不確定度

3 實驗結(jié)果及分析

3.1 換熱特性

在實驗前，對試驗系統(tǒng)進行熱平衡計算，計算輸入功率Q與測試段工質(zhì)獲得的熱功率Ql的偏差。熱平衡偏差為[11]：

(9)

經(jīng)計算，熱平衡偏差小于7%，因此工質(zhì)能夠獲得的總功率非常接近100 W。

3.1.1 納米流體沖擊射流換熱性能分析

實驗中，分別測試了質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別是0.1%、0.2%、0.3%、0.4%、0.5%的Al-水納米流體的射流換熱系數(shù)，分析了納米粒子提及份額、種類，射流速度以及射流高度對沖擊射流換熱性能的影響。

圖4 Al-水納米流體與水換熱系數(shù)隨Re數(shù)的變化

圖4表示射流直徑3 mm噴嘴直徑1 mm圓形噴嘴的沖擊射流換熱情況，可以看出水和納米流體的沖擊射流換熱系數(shù)隨射流流速呈近似線性的上升趨勢，但是，沖擊射流的換熱系數(shù)與納米粒子的質(zhì)量分?jǐn)?shù)不是完全的遞增關(guān)系。在質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.4%時的納米流體Nu提升較好，繼續(xù)增加納米粒子至質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5%時，換熱系數(shù)不再明顯增加。這是因為納米粒子的質(zhì)量分?jǐn)?shù)過大，會導(dǎo)致納米流體的粘度過大，射流路徑中的能量衰減加快，出口射流速度相同時，沖擊到換熱面的速度減小，對換熱效果起負(fù)面作用；另外，當(dāng)納米流體質(zhì)量分?jǐn)?shù)過大時，納米顆粒更易發(fā)生沉淀現(xiàn)象，會有少部分納米顆粒沉淀到儲液箱底部，導(dǎo)致實際參與換熱的納米流體質(zhì)量分?jǐn)?shù)下降，使換熱系數(shù)不再升高。從圖中可以看出，無論在何種射流組成方式中，添加了納米顆粒的納米流體的換熱系數(shù)都較去離子水的換熱系數(shù)有了一定的提升。這是由于納米粒子的添加，增加了去離子水的有效導(dǎo)熱系數(shù)，此外，粒子內(nèi)部的碰撞加快了熱量傳遞的速率。

3.1.2 射流參數(shù)的變化對換熱的影響

圖4中，分析得出在納米流體的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.4%時，換熱效果提升最為顯著。因此，對于射流結(jié)構(gòu)的討論，選用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.4%的納米流體作為對比量。圖5表示不同射流距離下，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.4%的納米流體在噴嘴直徑3 mm時的沖擊射流換熱Nu隨Re的變化。從實驗結(jié)果發(fā)現(xiàn)，一方面沖擊射流換熱Nu隨Re的增加而增加，近似呈線性增加；另一方面，在一定的射流速度閾值內(nèi)，對應(yīng)相同的射流速度條件下，當(dāng)射流沖擊高度與噴嘴直徑之比H/D為2時換熱效果最好；H/D為1時換熱效果最差。這是由于當(dāng)射流沖擊高度過小時，射流由噴嘴噴出到達沖擊面之前，射流未能得到充分發(fā)展，紊流度小，而且由于射流直徑不大，覆蓋面小，傳熱效果不佳；當(dāng)沖擊高度較大時，能量衰減較大，到達換熱面的速度減小。

圖5 不同噴射距離對換熱的影響圖6 不同換熱面的沖擊射流換熱系數(shù)隨Re的變化

圖7 納米流體質(zhì)量分?jǐn)?shù)對壓降的影響

由圖5可以看出，在噴嘴直徑D與射流高度H的相關(guān)參數(shù)選擇中，當(dāng)H/D=2時，換熱效果最佳，圖6中，表示了質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.4%的納米流體在噴嘴直徑3 mm，射流高度為6 mm時的沖擊射流換熱系數(shù)隨Re的變化。從圖中可以看出，射流換熱面形式的改變對對流換熱系數(shù)是有影響的。在2 000-4 000雷諾數(shù)范圍內(nèi)，內(nèi)弧面和同心圓槽換熱面較鏡面處理的換熱面換熱效果好。當(dāng)Re繼續(xù)增加后，同心圓槽換熱面換熱系數(shù)逐漸接近鏡面處理換熱面。當(dāng)雷諾數(shù)超過6 000時，同心圓槽換熱面的換熱系數(shù)要比鏡面換熱面的對流換熱系數(shù)稍低。這是因為在低流速下，工質(zhì)射流沖擊換熱面的動能較低，射流后的工質(zhì)大部分可以在沖擊點換熱后沿?fù)Q熱面流下，在流動的這個過程中也會帶走一部分熱量；但當(dāng)流速過大時，工質(zhì)射流動能較高，大部分工質(zhì)不會順換熱壁面流下，而是會飛濺到有機玻璃壁面上。此時同心圓槽換熱面對射流工質(zhì)的飛濺效果最為明顯，導(dǎo)致其換熱系數(shù)低于另外兩種換熱面。圖6中換熱系數(shù)最高的是內(nèi)弧面換熱面，內(nèi)弧的幾何結(jié)構(gòu)增加了有效換熱面積也起到了匯集射流工質(zhì)的作用，強化了換熱效果。

3.2 流動特性

納米粒子的加入顯著增大了基液的導(dǎo)熱系數(shù)，使其具有更優(yōu)的傳熱性能，與此同時，納米流體的粘度也相對增大。這對于該流體的輸運條件有了更高的要求。圖7給出了不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的Al-水納米流體在射流距離為6 mm噴嘴直徑為3 mm的條件下，降變化。從圖7中可以看出，隨著納米顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，實驗系統(tǒng)的壓降也隨之增大。與去離子水相比，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.1%，0.2%，0.3%，0.4%，0.5%納米流體的壓力降分別增加了2.3%，4.2%，5.6%，7.1%，8.2%。這是由于濃度增加而導(dǎo)致粘度增大等原因，使得壓降也相應(yīng)的有所提高。

4 結(jié) 論

本文采用“兩步法”制備不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的Al-水納米流體，并以此為實驗工質(zhì)，進行了納米流體沖擊射流的換熱實驗，得出以下結(jié)論：

(1)對比三種分散劑，SDBS作為分散劑配合Al-水納米流體使用穩(wěn)定性較高，其使用比例為1∶1時分散效果最好。

(2)與去離子水相比，納米流體的換熱性能隨添加的納米流體的質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加而增加。在大部分射流條件下，當(dāng)納米流體的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.4%換熱效果提升最為顯著。

(3)實驗發(fā)現(xiàn)無論對于水還是納米流體，都存在一個特定的沖擊高度使得沖擊射流冷卻效果達到最佳。當(dāng)射流高度H與噴嘴直徑D之比為2時，換熱效果最好。對比三種換熱面，內(nèi)弧面換熱面可以有效提高換熱效果。

(4)實驗中，納米流體的壓力降并未明顯增大。另外，納米流體的懸浮穩(wěn)定性好，不會堵塞管道。

符 號 說 明

A——換熱面積，m2

H——射流距離，mm

D——噴嘴直徑, mm

h——換熱系數(shù)，W·m-2K-1

k——導(dǎo)熱系數(shù)，W· m-1K-1

Nu——努塞爾數(shù)

Ql——工質(zhì)獲得的功率，W

Q——輸入功率，W

q——熱量，J

Re——雷諾數(shù)

ΔT——溫差，℃

T——溫度，℃

u——流速，m·s-1

μ——動力粘度，Pa·s

ρ——密度，kg·m-3

φ——體積分?jǐn)?shù)，%

下角標(biāo)

bf——基液

in——入口

nf——納米流體

out——出口

p——納米顆粒

w——壁面

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Experimental Research on Heat Transferand Flow Characteristics of Impinging Jet with Al Nanofluids

Sun Bin，Qu Yi

(Energy Resource and Power Engineering College，Northeast Electric Power University，Jilin Jilin 132012)

In this paper，comprehensive performance of impinging jet cooling system heat exchanger was experimental studied using Al-nanofluids.Heat transfer efficiency was mainly researched by compared different flow rates，jet height and different types of nanofluids.And analyzed the impact of dispersant with the working fluid jet.The result shows that：the using of nanofluids on impinging jet cooling system significantly improved heat transfer efficiency，and the pressure drop of the system and not much change.Compared with different jet conditions：there is a particular jet height，maximum heat transfer coefficient.In the form of heat transfer surface of impinging jet has a significant impact，heat transfer surface of intrados can effectively improve the heat transfer coefficient of impinging jet.

Nanofluids； Impinging jet； Efficient heat transfer

2016-03-14.

孫 斌(1972-)，男，博士，教授，主要研究方向：多相流理論及應(yīng)用.

1005-2992(2017)04-0067-07

TK121

A

電子郵箱： 358538315@qq.com(孫斌);419716765@qq.com(曲藝)