摘 """""要：取暖是居民在冬季的重要生活保障，現(xiàn)階段取暖方式主要為鋪設(shè)管道取暖，此方法有能源消耗高、大氣污染等缺點。針對此短板，擬開發(fā)一種金屬納米電磁感應(yīng)加熱采暖技術(shù)。從改變電磁感應(yīng)加熱參數(shù)和納米尺度出發(fā)，通過實驗探究納米顆粒對傳熱過程中的影響，找到能夠提高能源利用率并且保證供暖效率的方法。隨后，基于實驗過程的結(jié)果對實驗裝置三維模型的多場耦合模擬結(jié)果進(jìn)行驗證。最終為創(chuàng)造出一個高效、環(huán)保的新型取暖設(shè)備提供一定的理論支撐。

關(guān) "鍵 "詞：納米流體；電磁感應(yīng)；強化傳熱；數(shù)值模擬

中圖分類號：TQ028"""""文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A """"文章編號：1004-0935（2024）12-1883-04

隨著科技的發(fā)展，能源的成本在不斷上升。然而傳統(tǒng)換熱工質(zhì)的熱導(dǎo)率及換熱能力逐漸跟不上現(xiàn)代科技，導(dǎo)致設(shè)備的換熱性能下降。1995年時，CHOI等提出來納米流體這一概念。納米流體就是在傳統(tǒng)的換熱工質(zhì)中加入導(dǎo)熱系數(shù)較高的金屬納米顆粒，制成穩(wěn)定的懸浮液從而達(dá)到增加其換熱性能的目的。相較于其他換熱工質(zhì)，納米流體的優(yōu)勢在于：首先是金屬納米顆粒、工質(zhì)液體、壁面三者之間進(jìn)行碰撞，導(dǎo)致邊界層被破壞，從而增強了納米流體工質(zhì)整體導(dǎo)熱系數(shù)；其次，金屬納米流體呈現(xiàn)球狀，具有更大的比表面積，提升了液體導(dǎo)熱系數(shù)；最后是金屬納米顆粒的布朗運動比較強烈，可減少金屬納米顆粒的沉積，提供了穩(wěn)定的懸浮能力。

納米流體因為其優(yōu)異的熱性能被認(rèn)為是下一代傳熱介質(zhì)。通過分析納米粒子的濃度、尺寸和形狀等因素，討論了納米粒子對于納米流體傳熱性能的影響。納米流體的熱物理性質(zhì)和流動速度直接影響了其傳熱系數(shù)。高導(dǎo)熱納米粒子有效提高了納米流體的導(dǎo)熱系數(shù)，尤其是金屬納米顆粒。金屬納米顆粒的尺寸以及形狀也是需要考慮的因素，通過改變金屬納米粒子的尺寸以及形狀會影響納米流體的濃度和黏度。

納米流體強化傳熱的技術(shù)在航空航天器、汽車?yán)鋮s、太陽能系統(tǒng)、高溫超導(dǎo)體的冷卻以及大功率電子元件的散熱系統(tǒng)中大幅度提高了傳熱性能，應(yīng)用前景十分廣泛。尤其是對于傳統(tǒng)散熱器無法滿足的高熱流微電子器件，金屬納米粒子質(zhì)量輕、結(jié)構(gòu)緊湊、比表面積大、換熱能力強的特點被廣大學(xué)者關(guān)注，高性能納米流體在此條件下的強化傳熱被廣泛研究。

1 "外加電場或磁場對納米流體傳熱的影響

1.1 "電場對傳熱的影響

通過實驗研究與理論論證發(fā)現(xiàn)電場對于單相流和兩相流體的熱傳導(dǎo)均有很大的影響。針對單相流來說，由于電場分布不均勻以及相對介電常數(shù)的變化引起了納米流體內(nèi)部的壓差不同，導(dǎo)致了流體內(nèi)部形成了電對流，增加了流體的擾動程度。針對兩相流而言，由于電場的作用，在流場中產(chǎn)生電對流，使流體的運動更加劇烈。

在20世紀(jì)，電流體力學(xué)發(fā)展之初，廣大學(xué)者對電場增強單相流的傳熱進(jìn)行了密切的關(guān)注。隨著社會科技的發(fā)展，納米流體在傳熱過程中的研究與應(yīng)用不斷增加，廣大學(xué)者在21世紀(jì)逐漸開始加大了對納米流體通過電場傳熱增強的關(guān)注。近些年來，許多學(xué)者通過建立物理理論模型、數(shù)值模擬以及實驗研究，探究了影響納米流體傳熱性能的因素，闡明了外加電場下納米流體的傳熱規(guī)律，最終發(fā)現(xiàn)納米流體的傳熱和對流隨著電場強度的增加而增加。

趙丹、唐國等^[1]的研究證實了納米流體在外加電場存在下的傳熱規(guī)律，即隨著電場強度的增加，納米流體的傳熱性能得到了很大改善。Daniel等^[2]研究了納米流體在外加電場下向非線性拉伸表面的EHD流動，并且探討了加厚現(xiàn)象和外加電場的傳熱特性。

Saravani等^[3]研究了壓力和電場對納米流體對流換熱的影響。結(jié)果表明，當(dāng)電場恒定且壓力增大時，努塞爾數(shù)減小，在固定壓力下，努塞爾數(shù)隨著電場強度的增加而增加。

1.2 "磁場對傳熱的影響

外加磁場的傳熱增強是主動傳熱技術(shù)的另一個熱點，近些年來，外加磁場強化傳熱引起了許多學(xué)者的關(guān)注。對于磁場增強傳熱的原因，一些研究人員提出了一種理論，即外加磁場增加了粒子與粒子、粒子與液體、粒子與壁面之間的相互作用和碰撞，對磁流體進(jìn)行了擾動，進(jìn)而增強了磁流體的傳熱。王正良認(rèn)為，外加磁場會增加磁流體的密度，然而自然對流是由于磁流體密度變化引起的浮力來產(chǎn)生的。因此，磁場通過改變磁性液體的密度，可以明顯促進(jìn)流場中的自然對流，進(jìn)而增強磁流體的傳熱。另一些研究人員提出來另一種理論，即非均勻橫向磁場產(chǎn)生開爾文力，開爾文力產(chǎn)生一對渦流，將磁流體從兩側(cè)壁面驅(qū)動到管的中心。因此，冷的邊界層擴散到溫暖的磁性流體中，最終改善、增加努塞爾數(shù)。Shakiba等^[4]根據(jù)實驗結(jié)果，認(rèn)為外加磁場形成開爾文力，造成了磁流體中形成渦流，破壞了溫度邊界層，使得磁流體的傳熱增強。

2 "影響納米流體強化傳熱的因素

在尋常工質(zhì)中加入納米顆粒形成納米流體懸浮液增強了流體中的能量傳遞，進(jìn)而可以增強納米流體的導(dǎo)熱性能。Pordanjani等^[5]認(rèn)為納米流體具有四種熱物理性質(zhì)：密度、黏度、導(dǎo)熱性和比熱，這四種熱物理性質(zhì)隨著向傳統(tǒng)工質(zhì)中添加金屬納米顆粒而變化。Hozien等^[6]通過實驗研究了TiO₂/水、ZnO₂/水以及Ag/水納米流體的熱物理性質(zhì)，其納米顆粒粒徑分別為14、20和16"nm。納米顆粒濃度為25.8%。結(jié)果表明，三種納米流體的密度、黏度、導(dǎo)熱系數(shù)均增加。

2.1 "納米粒子濃度的影響

在圖1中，顯示了納米顆粒對納米流體性能的影響。一般來說，納米流體中納米顆粒濃度的增加會引起納米流體的密度和黏度的增加，并且增強其導(dǎo)熱性。Rabienataj等^[7]用Viscolite2700濃度計進(jìn)行實驗，結(jié)果表明流體中納米顆粒濃度的增加會導(dǎo)致納米流體黏度增加。Osman等^[8]經(jīng)過實驗測量，也得到了同樣的結(jié)果。近些年，Saleh等^[9]分析了一種MWCNT/水納米流體，結(jié)果表明，在15.27%納米顆粒濃度下，納米流體比傳統(tǒng)工質(zhì)導(dǎo)熱性能更強。導(dǎo)熱系數(shù)提高了9.15%，黏度增加了1.0%，密度增加了3.0%。

根據(jù)以上學(xué)者研究成果可知，通常，納米流體的主要熱物理性質(zhì)會受到納米顆粒濃度改變的影響。隨著納米顆粒濃度增加，導(dǎo)熱系數(shù)、密度和黏度均會增加。與金屬納米流體相比，金屬氧化物納米顆粒會表現(xiàn)出更好的導(dǎo)熱性能。金屬納米顆粒在密度、黏度方面改善更加明顯。但是納米流體濃度變化過程中，其比熱在過程中無顯著變化。隨著溫度的升高，納米流體的導(dǎo)熱系數(shù)增加，黏度與密度均會降低。

2.2 "納米粒徑的影響

納米粒徑是影響納米流體主要熱物理性質(zhì)的重要參數(shù)。Kim等^[10]通過實驗，研究了U型管太陽能集熱器的傳熱性能，發(fā)現(xiàn)納米顆粒的尺寸對于集熱器的傳熱性能有較大的影響。使用1%的體積分?jǐn)?shù)和三種直徑（20、50和100 nm）的納米顆粒，采用Al₂O₃-水納米流體，結(jié)果表明，在直徑為20 nm時，納米流體的導(dǎo)熱系數(shù)比直徑為50 nm時高了1.54%，比直徑為100 nm時高了2.43%。在相同濃度的納米流體中，直徑為20 nm時太陽能集熱器的最大效率為24.1%，直徑為50 nm時，最大效率為20.4%，直徑為100 nm時，最大效率為17.8%?？傮w來說，小納米顆粒的傳熱強化要優(yōu)于大納米顆粒。

納米顆粒的粒徑還會影響納米流體的黏度、導(dǎo)熱性和密度。Ganguly等^[11]通過實驗得出，減小納米顆粒的粒徑會增強納米流體的熱物理性質(zhì)。此外，影響納米流體熱物理性質(zhì)的主要因素包括納米顆粒形態(tài)和濃度。

2.3 "納米顆粒形狀的影響

納米流體中常用的納米顆粒形狀如圖2所示，不同形狀的納米顆粒形成的納米流體可以直接影響最終納米材料的黏度和導(dǎo)熱性。

Cui等^[12]對不同納米顆粒形狀的納米流體的熱導(dǎo)率進(jìn)行了實驗研究。結(jié)果表明，柱狀和片狀的納米顆粒形成的納米流體相對熱導(dǎo)系數(shù)高于其他形狀。

Elias等^[13]研究了納米流體中不同形式的納米顆粒對換熱器性能的影響。結(jié)果表明，系統(tǒng)傳熱和熱力學(xué)性能均有所提高。柱狀納米顆粒形成的納米流體在導(dǎo)熱系數(shù)、傳熱系數(shù)和整體傳熱系數(shù)方面表現(xiàn)較為突出（如圖3所示）。

在數(shù)值模擬中，Saranya^[14]、Dehaj^[15]、Hajabdollahi等^[16]還發(fā)現(xiàn)，納米流體的濃度、黏度和導(dǎo)熱系數(shù)都受到納米顆粒形狀的影響。一般來說，納米流體的黏度、導(dǎo)熱系數(shù)都會隨著濃度的增大而增大，不同形狀的納米顆粒濃度隨著納米顆粒濃度增大而增大。與其他形式的納米顆粒相比，在固定顆粒濃度下，柱形和磚形納米顆粒形成的納米流體導(dǎo)熱性更好。

3 "結(jié) 論

本文綜述了近幾十年來，納米流體傳熱影響因素的相關(guān)文章。介紹了研究人員采用的方法以及重要成果。

探討通過外加電場、磁場形成電磁感應(yīng)對納米流體性能和機理的影響，使得研究人員對電磁感應(yīng)對納米流體影響的現(xiàn)狀有清晰的認(rèn)識。

研究了納米顆粒濃度影響納米流體的熱物理性質(zhì)，提高傳熱系數(shù)。還研究了納米顆粒的形狀，大小對納米流體傳熱系數(shù)、導(dǎo)熱系數(shù)的影響。

隨著納米流體在傳熱方面的飛速發(fā)展，其發(fā)展前景十分廣闊，并且逐步代替?zhèn)鹘y(tǒng)的傳熱工質(zhì)，本文綜述了其傳熱優(yōu)化的特點，為廣大研究人員提供有前景的研究方向。

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Review of Studies on Enhanced Electromagnetic

Induction Heating by Nanofluidics

WANG Yunhai^1，2， XIN Hai³，"HE Chengdong¹， ZOU Yaoyang¹， ZHAO lei¹

（1. Liaoning Petrochemical University， Fushun Liaoning 113001， China;

2."University of Chinese Academy of Sciences， Beijing 100083， China;

3. Fushun Mining Group， Fushun Liaoning 113001， China）

Abstract：""Heating is an important living guarantee for residents in winter. At present， the main heating method is to lay pipelines for heating， but this method has disadvantages such as high energy consumption and air pollution."It was planned to develop a metal nano electromagnetic induction heating technology"to address this issue. Starting from changing electromagnetic induction heating parameters and nanoscale， the influence of nanoparticles on heat transfer processes was explored through experiments， and methods to"improve energy utilization efficiency and ensure heating efficiency"were found. Subsequently， based on the results of the experimental process， the multi field coupling simulation results of the three-dimensional model of the experimental device were verified， providing"certain theoretical support for creating an efficient and environmentally friendly new type of heating equipment.

Key words："Nanofluid; Electromagnetic induction; Enhanced heat transfer; Numerical simulation