题目：潜热型功能热流体传热能力强化方法研究

微胶囊相变材料（简称MPCM）是一种微米级颗粒（粒径分布从几微米至数十微米）。颗粒内核是相变材料，颗粒外壳通常用高分子聚合物。将MPCM悬浮在液体介质中，形成一种二元潜热型悬浮液，这就是潜热型功能热流体。将这种潜热型功能热流体作为设备冷却液的好处包括：功能流体具有大热容（由于MPCM内相变材料相变产生的），且相变材料相变前后，冷却液体积和流动结构不发生变化，因此，这种冷却方式自从上个世纪七十年代末被提出后，受到了人们的广泛关注。对功能流体的研究，随着制备工艺的进步，研究人员已经制备出各种芯材、粒径的相变微胶囊；而随着理论研究的进行，人们对功能流体的传热和流动特性也了解的越来越深入，这都为功能流体的实际应用提供了可能，但是到目前为止，功能流体还未能得到广泛的工业应用，其中一个重要原因是功能流体的导热系数较低，这是因为目前使用的相变材料导热系数较低造成的。如何进一步提高功能流体的传热效果对功能流体的实用化而言至关重要。层流下提高管道内强迫对流传热的途径主要有两个：1. 使用异型管道代替圆管或矩形槽道；2. 改变传热工质的热物性参数。本文利用数值模拟和实验方法，从上面两个途径出发，研究了提高功能流体传热效果的方法，所取得的主要创新成果如下：1．采用等效比热模型研究了等热流下功能流体在内嵌同轴圆柱的圆管中流动和传热的特性，分析了Ste数和内嵌同轴圆柱的直径对功能流体传热效果的影响，然后与功能流体在光滑圆管中的流动情况进行比较。本文在分析流场的过程中应用了过增元的场协同理论。结果表明，在内嵌同轴圆柱的圆管中，功能流体的传热效果随着Ste数的减小而增大。由于同轴圆柱的引入改变了流场流速和温度的分布，减小了速度矢量和温度梯度的夹角，使管道径向的对流传热得到加强，减小了径向温度梯度，使功能流体能够更快更充分的相变吸收潜热，因而提高了功能流体的传热效果，并且这种效果会随着内嵌同轴圆柱直径的增大而增大。但随着圆柱直径的增加，流动阻力增加得更快，如果在相同功耗下进行比较，内嵌圆柱直径太大则不利于传热，所以，如果综合考虑换热能力和泵功耗的话，管道内的同轴圆柱直径不宜太大。2．采用等效比热模型研究了等热流下功能流体在热交换器中广泛使用的变截面圆环管中的流动和传热特性，然后与功能流体在等截面圆环管中的流动情况进行比较。结果表明，与等截面圆环管相比，变截面圆环管中速度矢量和温度梯度的夹角明显减小，使管道径向的对流传热得到加强，使功能流体能够更快更充分的相变吸收潜热，因而提高了功能流体的传热效果，这与功能流体在内嵌同轴圆柱的圆管内流动的情况是一致的。但在同功耗下，内径较小的变截面圆环管的对流传热能力依然高于等截面圆环管，证明功能流体在这种管道内流动时，传热能力的提高幅度要高于压降的提高幅度。对功能流体而言，变截面圆环管是一种理想的换热管道。3．在潜热型功能热流体中加入了TiO2纳米颗粒，得到一种新的含有两种颗粒的悬浮液，简称为NMPCM悬浮液。本文通过实验方法研究了NMPCM悬浮液的稳定性，颗粒分布，流变特性和导热系数。结果表明，在低剪切率下（小于20s-1），NMPCM悬浮液显现出非牛顿流体特性，高剪切率下悬浮液仍可被视为牛顿流体。悬浮液的粘性随纳米颗浓度的提高而提高，当纳米颗粒质量浓度为5%时，功能流体的粘性提高约23%。纳米颗粒的加入能够提高功能流体的导热系数，并且提高幅度会随着纳米颗粒浓度的提高而提高，当纳米颗粒质量浓度达到5%时，导热系数提高幅度为7.3%。当纳米颗粒浓度较低时，纳米颗粒对功能流体导热系数的提高幅度要大于对水的提高幅度，但随着纳米颗粒浓度的进一步增加，两种提高幅度趋于一致。使用这种NMPCM悬浮液作为传热工质的优势为：悬浮液导热系数得到了提高，可以使热量更快的由壁面传递到流场内部，使相变颗粒熔化的更快更充分，吸收潜热。