涂江林，齊 聰，李春陽(yáng)，段康偉

(1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)電氣與動(dòng)力工程學(xué)院，江蘇 徐州 221116；2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)徐海學(xué)院，江蘇 徐州 221008)

自從納米流體的概念被提出以來(lái)，大量學(xué)者開(kāi)始研究納米流體的強(qiáng)化換熱效果[1～2].納米流體具有優(yōu)異的熱性能[3-5]，因此很多領(lǐng)域都用到這種工質(zhì)，例如沸騰傳熱[6-8]，太陽(yáng)能收集器[9-10]，熱交換系統(tǒng)[11-14]，熱管[15-18]，儲(chǔ)能[19-20]，光熱轉(zhuǎn)換[21]，電子設(shè)備冷卻[22-24]和溫差發(fā)電[25]等.這種用具有高傳熱性能的新型流體代替?zhèn)鹘y(tǒng)流體的方法已經(jīng)越來(lái)越多地應(yīng)用于強(qiáng)化傳熱領(lǐng)域.

與傳統(tǒng)工質(zhì)相比，添加納米顆粒(氧化鋁[26-27]、多壁碳納米管[28-29]、單壁碳納米管[30]和二氧化鈦[31]等)到液體中來(lái)增強(qiáng)換熱的優(yōu)勢(shì)主要體現(xiàn)在以下幾方面[32-33].納米流體由于粒子和粒子，粒子和液體之間的相互作用和碰撞，可以破壞層流底層，降低熱阻，增強(qiáng)流動(dòng)湍流，最終增強(qiáng)傳熱[34-35].向液體中加入納米粒子可以通過(guò)提高液體的導(dǎo)熱性來(lái)增強(qiáng)換熱[36-37].在相同組分的情況下，由于納米顆粒的直徑小于毫米或微納顆粒的直徑，并且納米顆粒的表面積遠(yuǎn)大于毫米或微納顆粒，因此納米顆粒的導(dǎo)熱系數(shù)高于毫米或微納顆粒.納米粒子的強(qiáng)布朗運(yùn)動(dòng)有利于使其保持穩(wěn)定的懸浮狀態(tài)而不發(fā)生沉淀[38]，而毫米或微納粒子則容易磨損或堵塞.此外，納米粒子可以在懸浮液中起到潤(rùn)滑作用.

自由對(duì)流換熱和強(qiáng)制對(duì)流換熱都屬于對(duì)流傳熱.Talebizadehsardari等[39]利用兩相混合模型分析了銀-水納米流體在換熱管中的自然對(duì)流傳熱特性，并預(yù)測(cè)了銀-水納米流體在換熱管中的自由對(duì)流行為.Arbaba等[40]用有限體積法討論了銅-水納米流體的自由對(duì)流換熱.研究結(jié)果表明，納米流體的傳熱效果最好.Li等[41]研究了氧化鋁-水納米流體的自由對(duì)流換熱特性，并研究了腔體布局、輻射和磁場(chǎng)對(duì)其的影響.Izadi等[42]通過(guò)數(shù)值模擬研究了納米流體在三角形多孔腔體中的自由對(duì)流換熱.研究發(fā)現(xiàn)，納米粒子的加入和多孔環(huán)境有利于自然對(duì)流傳熱.Li等[43]制備了不同組分的乙二醇-去離子水納米流體，并分析了其換熱特性.研究發(fā)現(xiàn)納米粒子削弱了自然對(duì)流傳熱.在考慮輻射的情況下，Li等[44]研究了納米流體在傾斜封閉腔中的自由對(duì)流傳熱特性.Talebizadehsardari等[45]通過(guò)數(shù)值分析研究了同心環(huán)中γ-AlOOH納米流體的自然對(duì)流傳熱.發(fā)現(xiàn)納米添加劑的濃度對(duì)翅片的換熱效果影響不大.Karimipour等[46]研究了氧化鋁-水納米流體的自然對(duì)流與二維空腔表面輻射之間的相互作用.研究發(fā)現(xiàn)，自然對(duì)流換熱和輻射換熱的耦合作用會(huì)增加努塞爾數(shù)，提高換熱效率.Wang等[47]研究了二氧化鈦納米流體在金屬泡沫腔中的自然對(duì)流換熱.

另一方面，許多研究人員也研究了強(qiáng)制對(duì)流換熱特性.Sheikholeslami等[48]用數(shù)值方法研究了氧化鋁-水納米流體在帶有恒溫橢圓加熱器腔體內(nèi)的強(qiáng)制對(duì)流.Bahiraei等[49]討論了磁性納米流體在水平管道中的強(qiáng)制對(duì)流傳熱.結(jié)果表明，磁場(chǎng)強(qiáng)度的增加有利于傳熱，反之，雷諾數(shù)的增加會(huì)削弱磁場(chǎng)的強(qiáng)化傳熱效果.Toghraie等[50]研究了氧化銅-水納米流體在三角形管內(nèi)的強(qiáng)制對(duì)流傳熱.發(fā)現(xiàn)納米流體的熱導(dǎo)率較高，顯著提高了傳熱效率.Sheikholeslami等[51]通過(guò)數(shù)值分析研究了四氧化三鐵-乙二醇納米流體在多孔腔中的強(qiáng)制對(duì)流.結(jié)果表明，熱輻射強(qiáng)度的增加有利于努塞爾數(shù)的增加.在恒定磁場(chǎng)的作用下，Sheikholeslami等[52]研究了帶有二級(jí)感應(yīng)裝置的管中納米流體的強(qiáng)制對(duì)流流動(dòng).Nguyen等[53]討論了納米流體在帶有障礙物的旋轉(zhuǎn)通道中的強(qiáng)制對(duì)流傳熱.Nasiri等[54]采用弱可壓縮光滑粒子流體動(dòng)力學(xué)方法研究了水平圓柱周圍強(qiáng)制對(duì)流換熱.

混合納米流體也是近年來(lái)的研究熱點(diǎn).Izadi等[55]研究了混合納米流體在多孔腔中的自由對(duì)流換熱.Ali等[56]研究了混合納米流體在各個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用.更重要的是，對(duì)混合納米流體的制備方法進(jìn)行了研究，為提高混合納米流體的穩(wěn)定性做出了重要貢獻(xiàn).Kazemi等[57]制備了不同種類的混合納米流體，并研究了混合納米流體對(duì)基液粘度的影響.Mehryan等[58]研究了MHD混合納米流體在T型腔中的自然對(duì)流傳熱強(qiáng)化.Qi等[59]比較了單一和混合納米流體的對(duì)流傳熱特性.通過(guò)分析努塞爾數(shù)的分布，發(fā)現(xiàn)混合納米流體具有更強(qiáng)的傳熱效率.

上述文獻(xiàn)都對(duì)納米流體自然對(duì)流傳熱的研究做出了顯著貢獻(xiàn).但是，光熱轉(zhuǎn)換系統(tǒng)中關(guān)于混合納米流體和微強(qiáng)化結(jié)構(gòu)對(duì)自然對(duì)流換熱影響的研究很少，這些規(guī)律有待進(jìn)一步揭示.因此，本文以氧化銅-水和氧化銅/銅-水納米流體為研究對(duì)象，旨在研究光熱轉(zhuǎn)換系統(tǒng)中不同腔壁結(jié)構(gòu)和不同溫差下納米流體的自然對(duì)流換熱.本文研究三角形和矩形凸起兩種腔壁結(jié)構(gòu)的原因在于，目前在光熱轉(zhuǎn)換系統(tǒng)中應(yīng)用這兩種微強(qiáng)化結(jié)構(gòu)的研究甚少，規(guī)律有待進(jìn)一步揭示.并且微強(qiáng)化結(jié)構(gòu)對(duì)換熱影響很大，一個(gè)好的微表面結(jié)構(gòu)可以大大地提高傳熱效率，提高能源利用率.本文的創(chuàng)新點(diǎn)主要包括：揭示了冷熱面微強(qiáng)化結(jié)構(gòu)對(duì)流動(dòng)介質(zhì)傳熱特性的影響，為光熱轉(zhuǎn)換系統(tǒng)冷熱面的設(shè)計(jì)提供了一定的指導(dǎo)意義；揭示了混合納米流體的強(qiáng)化傳熱特性，在考慮顆粒成本與強(qiáng)化傳熱效果的基礎(chǔ)上，為光熱轉(zhuǎn)換系統(tǒng)中換熱介質(zhì)的選擇提供了一定的指導(dǎo)意義.

1 納米流體的熱物理性質(zhì)

計(jì)算納米流體懸浮液粘度的經(jīng)驗(yàn)公式很多，大部分都是從Einstein公式推導(dǎo)出來(lái)的，Einstein公式為[60]

(1)

公式中：μnf，μbf、φ分別為納米流體的粘度、基液的粘度和納米流體中包含的顆粒的體積分?jǐn)?shù).

當(dāng)納米顆粒的體積分?jǐn)?shù)小于5%時(shí)，不考慮顆粒之間的流體動(dòng)力學(xué)相互作用，上述方程可以簡(jiǎn)化為[60]

μnf=μbf(1+2.5φ)，

(2)

此時(shí)，納米流體的密度和恒壓比熱將按如下公式計(jì)算[61]：

ρnf=(1-φ)ρf+φρp，

(3)

(cp)nf=(1-φ)(cp)f+(cp)p，

(4)

公式中：ρnf為流體密度；ρf為基液密度；ρp為納米顆粒密度；(cp)nf為納米流體在恒壓下的比熱；(cp)p為納米顆粒在恒壓下的比熱.

納米流體導(dǎo)熱系數(shù)計(jì)算方程為[62]

(5)

公式中：kco為氧化銅-銅納米顆粒的導(dǎo)熱系數(shù)；kp1為氧化銅的導(dǎo)熱系數(shù)；kp2為銅的導(dǎo)熱系數(shù)；φ為納米流體的體積分?jǐn)?shù).

本文研究了氧化銅-水納米流體和氧化銅/銅-水納米流體.對(duì)于混合納米流體，氧化銅納米顆粒和銅納米顆粒的質(zhì)量分?jǐn)?shù)比為1∶1，基液(水)、氧化銅納米顆粒和銅納米顆粒的熱物理參數(shù)，如表1所示.氧化銅-水納米流體和氧化銅/銅-水納米流體的熱物性參數(shù)，如表2所示.

表1 各相的熱物性參數(shù)

表2 納米流體的熱物性參數(shù)

2 數(shù)值模型

2.1 幾何模型與邊界條件

圖1 帶有兩種凸起結(jié)構(gòu)的腔體

本文研究了光熱轉(zhuǎn)換系統(tǒng)中具有三角形凸起結(jié)構(gòu)和矩形凸起結(jié)構(gòu)的二維空腔.空腔結(jié)構(gòu)如圖1所示，空腔寬為1.5 cm，高為3 cm，假設(shè)容器的上下壁是絕熱壁面，空腔兩側(cè)設(shè)置相應(yīng)的溫差.

矩形凸起的高度為2 mm，寬度為1.5 mm；三角形凸起部分為等邊三角形，邊長(zhǎng)為1.5 mm.兩種腔體結(jié)構(gòu)的詳細(xì)參數(shù)如表3和表4所示.

表3 矩形凸起結(jié)構(gòu)參數(shù)

表4 三角形凸起結(jié)構(gòu)參數(shù)

2.2 網(wǎng)格獨(dú)立性驗(yàn)證

對(duì)于同一模型，為了保證模擬數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和一定的計(jì)算速度，首先要選擇一定數(shù)量的網(wǎng)格.各種網(wǎng)格數(shù)量的獨(dú)立性驗(yàn)證，如表5所示.在計(jì)算過(guò)程中，三角形凸起結(jié)構(gòu)選擇了16 439、24 947、36 852和48 495四種網(wǎng)格數(shù)量，矩形凸起結(jié)構(gòu)選擇了14 486、23 039、33 428和45 963四種網(wǎng)格數(shù)量.仿真結(jié)果表明，當(dāng)三角形凸結(jié)構(gòu)和矩形凸結(jié)構(gòu)的網(wǎng)格數(shù)分別為36 852和33 428時(shí)，不僅可以保證誤差小于3%，而且占用的計(jì)算資源更少.綜上，兩種結(jié)構(gòu)都選擇第三種網(wǎng)格數(shù)量進(jìn)行模擬.

表5 不同網(wǎng)格數(shù)量的平均努塞爾數(shù)

2.3 計(jì)算模型驗(yàn)證

為了驗(yàn)證本文采用的計(jì)算模型的可靠性，首先研究了光滑壁面腔體中納米流體的自然對(duì)流換熱特性，并與文獻(xiàn)[63]的結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比.本文的計(jì)算結(jié)果與文獻(xiàn)[64]的模擬結(jié)果，如表6所示.通過(guò)對(duì)比分析可知，本文所采用的計(jì)算模型是可靠的，可進(jìn)行更加深入的研究.

表6 本文平均努塞爾數(shù)值與文獻(xiàn)值的比較

2.4 數(shù)值方法

本文采用標(biāo)準(zhǔn)的k-ε模型，選擇了增強(qiáng)壁面處理.包括的方程如下：

(5)

(6)

公式中：k1為湍流脈沖動(dòng)能；ε為湍流脈沖動(dòng)能耗散率；Gk1為由于是均速度梯度產(chǎn)生的湍流動(dòng)能項(xiàng)；Gb為由于浮力產(chǎn)生的湍流動(dòng)能源項(xiàng)；Sk1、Sε為k1與ε的自定義源項(xiàng)；Prk1、Prε為k1與ε的湍流Prandtl數(shù)；G1ε、G2ε、G3ε為常數(shù)系數(shù).

流場(chǎng)計(jì)算選用耦合算法，離散格式選擇了求解精度較高的二階迎風(fēng)判別格式.參考相關(guān)文獻(xiàn)，證明了該方法的可靠性.

3 結(jié)果與討論

3.1 三角形凸起的影響

3.1.1 溫度和流線分布

本文研究了光熱轉(zhuǎn)換系統(tǒng)中水、氧化銅-水納米流體和氧化銅/銅-水納米流體的自由對(duì)流.同時(shí)，研究了溫差、不同空腔結(jié)構(gòu)、流體種類和不同流體體積分?jǐn)?shù)對(duì)自由對(duì)流的影響.

氧化銅納米粒子與銅納米粒子的質(zhì)量分?jǐn)?shù)比為1∶1.研究了不同體積分?jǐn)?shù)(φ=0.01，φ=0.03和φ=0.05)的銅-水納米流體和氧化銅/銅-水納米流體在不同溫度溫差(ΔT=1 K，ΔT=10 K)下在三角形凸起空腔內(nèi)的自然對(duì)流.氧化銅/銅-水納米流體的溫度分布和流線分布如圖2和圖3所示，氧化銅-水納米流體的溫度分布和流線分布如圖4和圖5所示.通過(guò)對(duì)比分析溫度和流線分布，可以得出以下結(jié)論：氧化銅/銅-水和氧化銅-水納米流體的等溫線呈彎曲狀，等溫線的曲率隨著溫差的增大而增大.根據(jù)兩種納米流體的溫度分布，可以得出結(jié)論：隨著溫差的增大，熱傳導(dǎo)逐漸被自然對(duì)流換熱所取代.從兩種納米流體的流線圖可以看出，隨著溫差的增加，流動(dòng)變得更加強(qiáng)烈，旋渦數(shù)量增加，增強(qiáng)了擾動(dòng)，破壞了層流底層.總的來(lái)說(shuō)，較大的溫差有利于傳熱.此外，添加納米顆?？梢栽鰪?qiáng)流體的換熱性能，但是過(guò)度添加納米顆粒，由于粘度增加，納米顆粒會(huì)聚集、沉降，最終導(dǎo)致傳熱效果變差.

△T=1K：(a)φ=0，(b)φ=0.01，(c)φ=0.03，(d)φ=0.05；△T=10K：(e)φ=0，(f)φ=0.01，(g)φ=0.03，(h)φ=0.05圖2 CuO/Cu-H2O納米流體在三角形凸起結(jié)構(gòu)中的溫度分布

△T=1K：(a)φ=0，(b)φ=0.01，(c)φ=0.03，(d)φ=0.05；△T=10K：(e)φ=0，(f)φ=0.01，(g)φ=0.03，(h)φ=0.05圖3 CuO/Cu-H2O納米流體在三角形凸起結(jié)構(gòu)中的流線分布

△T=1K：(a)φ=0，(b)φ=0.01，(c)φ=0.03，(d)φ=0.05；△T=10K：(e)φ=0，(f)φ=0.01，(g)φ=0.03，(h)φ=0.05圖4 CuO-H2O納米流體在三角形凸起結(jié)構(gòu)中的溫度分布

△T=1K：(a)φ=0，(b)φ=0.01，(c)φ=0.03，(d)φ=0.05；△T=10K：(e)φ=0，(f)φ=0.01，(g)φ=0.03，(h)φ=0.05圖5 CuO-H2O納米流體在三角形凸起結(jié)構(gòu)中的流線分布

3.1.2 努塞爾數(shù)分布

前一節(jié)已經(jīng)定性分析了工質(zhì)的自由對(duì)流傳熱，接下來(lái)將進(jìn)行定量分析.不同納米流體的努塞爾數(shù)在不同溫差下的變化趨勢(shì)，如圖6所示.通過(guò)分析圖6，可以發(fā)現(xiàn)不同的納米流體呈現(xiàn)出相同的趨勢(shì)，即隨著y值的增加，傳熱逐漸降低.此外，隨著溫差的增大，不同組分的CuO/Cu-H2O和CuO-H2O納米流體的局部努塞爾數(shù)顯著增加.所以溫差是影響對(duì)流換熱效果的關(guān)鍵因素.當(dāng)溫差和納米流體的體積分?jǐn)?shù)相同時(shí)，CuO/Cu-H2O納米流體的局部努塞爾數(shù)大于CuO-H2O納米流體，這是由于混合納米流體的熱導(dǎo)率較大.溫差為1 K和10 K時(shí)，納米流體的換熱效果優(yōu)于水，濃度為3%的納米流體換熱效果最好，其次為1%，最后為5%.當(dāng)納米流體的濃度為5%時(shí)，努塞爾數(shù)減少，這可能是由較大的粘度引起的.因此，可以得出以下結(jié)論：當(dāng)導(dǎo)熱系數(shù)的影響大于粘度的影響時(shí)，適當(dāng)添加納米粒子可以增加傳熱.隨著空腔高度的增加，自然對(duì)流的作用越來(lái)越重要.納米粒子較高的熱導(dǎo)率和布朗力對(duì)傳熱有很大影響.加入納米粒子可以提高熱導(dǎo)率的原因有兩個(gè)：第一，加入納米粒子可以提高流體的熱導(dǎo)率；其次，納米粒子的加入增強(qiáng)了整個(gè)基液的布朗運(yùn)動(dòng)，破壞了層流邊界層.

CuO/Cu-H2O：(a)△T=1 K，(b)△T=10 K；CuO-H2O：(c)△T=1 K，(d)△T=10 K圖6 不同納米流體Y方向的努賽爾數(shù)分布

3.2 矩形凸起的影響

3.2.1 溫度和流線分布

研究了不同溫差(ΔT=1 K，ΔT=10 K)下CuO/Cu-H2O納米流體和CuO-H2O納米流體在矩形凸起空腔結(jié)構(gòu)中的自然對(duì)流.CuO/Cu-H2O納米流體的溫度分布和流線分布如圖7和圖8所示，CuO-H2O納米流體的溫度分布和流線分布如圖9和圖10所示.矩形凸起結(jié)構(gòu)和三角形凸起結(jié)構(gòu)的溫度分布和流線分布有相似的規(guī)律.因此，分析三角形凸結(jié)構(gòu)的方法可以直接應(yīng)用于矩形凸結(jié)構(gòu).通過(guò)分析矩形腔中CuO/Cu-H2O和CuO-H2O納米流體的溫度分布和流線分布，可以得出與三角形腔中相同的結(jié)論，因此這里不再詳細(xì)解釋，而是重點(diǎn)對(duì)兩種結(jié)構(gòu)進(jìn)行對(duì)比分析.

通過(guò)比較兩種腔體的溫度云圖和流線圖，可以發(fā)現(xiàn)三角形凸起結(jié)構(gòu)的等溫線比矩形凸起結(jié)構(gòu)的等溫線略彎曲，說(shuō)明三角形腔體結(jié)構(gòu)的強(qiáng)化換熱效果更好.而且三角形凸起結(jié)構(gòu)中的旋渦較多，說(shuō)明三角形凸起空腔中的自然對(duì)流更強(qiáng)，因此從另一個(gè)角度說(shuō)明了，三角形凸起的空腔具有更好的強(qiáng)化傳熱效果.

△T=1K：(a)φ=0，(b)φ=0.01，(c)φ=0.03，(d)φ=0.05；△T=10K：(e)φ=0，(f)φ=0.01，(g)φ=0.03，(h)φ=0.05圖7 三角形凸起結(jié)構(gòu)空腔中CuO/Cu-H2O納米流體的溫度分布

△T=1K：(a)φ=0，(b)φ=0.01，(c)φ=0.03，(d)φ=0.05；△T=10K：(e)φ=0，(f)φ=0.01，(g)φ=0.03，(h)φ=0.05圖8 CuO/Cu-H2O納米流體在三角形凸起結(jié)構(gòu)空腔中的流線分布

△T=1K：(a)φ=0，(b)φ=0.01，(c)φ=0.03，(d)φ=0.05；△T=10K：(e)φ=0，(f)φ=0.01，(g)φ=0.03，(h)φ=0.05圖9 CuO-H2O納米流體在三角形凸起結(jié)構(gòu)空腔中的溫度分布

△T=1K：(a)φ=0，(b)φ=0.01，(c)φ=0.03，(d)φ=0.05；△T=10K：(e)φ=0，(f)φ=0.01，(g)φ=0.03，(h)φ=0.05圖10 CuO-H2O納米流體在三角形凸起結(jié)構(gòu)空腔中的流線分布

3.2.2 努塞爾數(shù)分布

CuO/Cu-H2O：(a)△T=1 K；(b)△T=10 K，CuO-H2O；(c)△T=1 K；(d)△T=10 K圖11 不同納米流體的努塞爾數(shù)在Y方向上的分布

前一節(jié)已經(jīng)定性分析了工質(zhì)的自由對(duì)流換熱，接下來(lái)將進(jìn)行定量分析.不同納米流體的努塞爾數(shù)在不同溫差下的變化趨勢(shì)，如圖11所示.通過(guò)分析圖11可知，不同的納米流體表現(xiàn)出相同的趨勢(shì)，即隨著y值的增加，傳熱逐漸降低.隨著溫差的增大，不同濃度的CuO/Cu-H2O和CuO-H2O納米流體的局域努塞爾數(shù)顯著增加.當(dāng)溫差和納米流體體積分?jǐn)?shù)相同時(shí)，CuO/Cu-H2O納米流體的局域努塞爾數(shù)大于CuO-H2O納米流體.溫差為1 K和10 K時(shí)，納米流體的換熱效果優(yōu)于水，濃度為3%的納米流體換熱效果最好，其次為1%，最后為5%.當(dāng)納米流體濃度為5%時(shí)，努塞爾數(shù)降低，可能是粘度系數(shù)較大造成的.

3.3 平均努塞爾數(shù)對(duì)比分析

當(dāng)納米流體的濃度為3%時(shí)，兩種腔體結(jié)構(gòu)的平均努塞爾數(shù)如圖12所示.首先，分析了三角形凸起結(jié)構(gòu)的平均努塞爾數(shù).當(dāng)溫差為1 K時(shí)，CuO/Cu-H2O納米流體的傳熱效果提高了16.8%，CuO-H2O納米流體的傳熱效果提高了11.1%.與單組分納米流體相比，混合納米流體的傳熱效果提高了5.2%.這也再次證明了混合納米流體由于具有更高的熱導(dǎo)率，從而具有更高的熱交換效果.當(dāng)溫差為10 K時(shí)，CuO/Cu-H2O納米流體的傳熱效果提高了10.0%，CuO-H2O納米流體的傳熱效果提高了5.6%.與單組分納米流體相比，混合納米流體的換熱效果提高了4.2%.其次，分析了矩形結(jié)構(gòu)的平均努塞爾數(shù).當(dāng)溫差為1 K時(shí)，CuO/Cu-H2O納米流體的傳熱效果提高了10.9%，CuO-H2O納米流體的傳熱效果提高了4.4%.與單組分納米流體相比，混合納米流體的傳熱效果提高了5.9%.當(dāng)溫差為10 K時(shí)，CuO/Cu-H2O納米流體的傳熱效果提高了6.3%，CuO-H2O納米流體的傳熱效果提高了2.6%.與單組分納米流體相比，混合納米流體的傳熱效果提高了3.1%.

最后，比較了兩種結(jié)構(gòu)腔體的傳熱效果.當(dāng)溫差為1 K時(shí)，三角形凸起結(jié)構(gòu)的傳熱效果比矩形凸起結(jié)構(gòu)高77.6%.當(dāng)溫差為10 K時(shí)，三角形凸起結(jié)構(gòu)的傳熱效果比矩形凸起結(jié)構(gòu)高47.8%.三角形凸起結(jié)構(gòu)之所以具有更好的強(qiáng)化傳熱效果，是因?yàn)槿切瓮蛊鸾Y(jié)構(gòu)的腔體兩側(cè)呈鋸齒狀，對(duì)層流邊界層破壞更徹底，因此換熱效果更好.

φ=3%：(a)三角形凸起；(b)矩形凸起圖12 兩種腔體結(jié)構(gòu)的平均努塞爾數(shù)分布

4 結(jié) 論

本文研究了不同納米流體在兩種腔體結(jié)構(gòu)中的自由對(duì)流換熱效果，最終可以得出以下結(jié)論：

與水相比，單相納米流體和復(fù)合納米流體都強(qiáng)化了自然對(duì)流換熱效率.首先，在三角形凸起結(jié)構(gòu)中，當(dāng)溫差為1 K時(shí)，CuO/CuO-H2O和CuO-H2O納米流體的自然對(duì)流換熱分別比水增強(qiáng)了16.8%和11.1%.當(dāng)溫差為10 K時(shí)，與水相比分別增加了10.0%和5.6%.其次，在矩形凸起結(jié)構(gòu)中，當(dāng)溫差為1 K時(shí)，CuO/Cu-H2O和CuO-H2O納米流體的自然對(duì)流換熱分別比水增強(qiáng)了10.9%和4.4%.當(dāng)溫差為10 K時(shí)，與水相比分別增加6.3%和2.6%.在兩種腔體結(jié)構(gòu)中，納米流體在低溫下的換熱強(qiáng)化效果更明顯，但隨著溫差的增加，努塞爾數(shù)顯著增加.最后，比較了兩種結(jié)構(gòu)腔體的自由對(duì)流換熱強(qiáng)化效果，發(fā)現(xiàn)三角形凸起結(jié)構(gòu)的平均努塞爾數(shù)大于矩形凸起結(jié)構(gòu)，表明三角形凸起結(jié)構(gòu)的自由對(duì)流換熱效果優(yōu)于矩形凸起結(jié)構(gòu).