● 摘要
近二十多年以来，机械和电子产品不断发展的同时也伴随着其能量消耗以及散热需求的不断增大，传统的单相换热工质较低的传热性能已经成为新一代高效冷却技术的主要障碍。国内外针对于高效的两相换热工质开展了一系列的研究工作，其中潜热型功能热流体和纳米流体是强化传热效果较好的两类。将相变材料微胶囊和传统的单相流体混合形成一类潜热型功能热流体，由于相变材料微胶囊颗粒在相变过程中能够吸收/释放大量潜热，能够较大地强化流体的对流传热过程，是集传热与储热于一身的新型传热流体。目前大部分学者的研究表明，与传统的单相流体传热工质相比，潜热型功能热流体具有较高的对流传热性能，并且能够显著减少所需的流体质量流量，降低壁面温度。然而也有学者发现，在等流速下潜热型功能热流体的对流换热性能比水差，其主要原因在于相变材料(石蜡)的导热系数远低于载流体(水)的导热系数。随着纳米材料科学的迅速发展，有学者提出了纳米流体的概念：即以一定的方式和比例在液体中添加纳米级金属或非金属氧化物粒子，形成一类新的传热工质。相比基液来说，纳米流体的导热系数和对流换热性能得到较大提升。本论文综合应用潜热型功能热流体强化传热技术和纳米流体强化传热技术，研制了一类新型高效流体传热工质——纳米材料增强的潜热型功能热流体，研究了该流体强化传热机理。本论文围绕着纳米材料增强的潜热型功能热流体的制备和悬浮稳定性，纳米材料增强的潜热型功能热流体的流变、粘度、热导率和相变等特性，管内对流换热特性，相变材料表面吸附纳米颗粒的特性等几个方面内容，研究了纳米材料增强的潜热型功能热流体的强化传热机理和性能。此外，还对潜热型功能热流体在大高宽比矩形扁管内的对流换热特性进行了实验研究和理论分析。1．纳米材料增强的潜热型功能热流体的制备和稳定性研制悬浮稳定的纳米材料增强的潜热型功能热流体是将其应用到强化传热中的关键步骤，而其中纳米流体的制备又是其中的重要一步。本文采用TiO2纳米粉末和纯净水相混合，通过超声波分散和球磨降低纳米颗粒的团聚并且调节流体PH值抑制纳米颗粒再团聚。本文基于较浓的纳米流体和相变材料微胶囊悬浮液，研究了不同制备方法、不同PH值、不同纳米颗粒和相变材料微胶囊体积份额的流体悬浮稳定性。2.纳米材料强化的潜热型功能热流体的热物性本文采用了Bolin CVO流变仪测试了纳米材料强化的潜热型功能热流体的流变以及粘度特性。结果表明，该流体表现出牛顿型流体特性，流体粘度随着温度升高而降低，较好的符合V-T-F方程，基于考虑纳米颗粒团聚的有效容积法和Vand模型建立的关系式可以对该流体粘度较好的预测。分析了潜热型功能热流体和纳米流体强化传热机制，基于多组分的M-G模型，建立了有效热导率预测模型，该模型考虑颗粒旋转运动微对流效应，颗粒Brown运动微对流效应和纳米颗粒团聚效应。与采用KD2热物性测量仪的测量结果对比表明，该流体热导率随着纳米颗粒浓度的增大而增大，此模型的预测结果较好。采用 PerkinElmer Diamond DSC对纳米材料强化的潜热型功能热流体的测试结果表明，添加纳米颗粒后对相变材料的相变温度影响较小。3.纳米材料增强的潜热型功能热流体对流换热特性本文建立功能流体管内对流换热实验系统，研究了不同纳米颗粒和相变材料微胶囊质量浓度的复合型功能热流体的管内对流换热特性，实验结果表明，添加质量浓度0.5%纳米颗粒的潜热型功能热流体的换热性能有了较大改善，使得质量浓度5%、10%和20%的潜热型功能热流体平均壁面温度降低8.3%、11.3%和18.9%。4．相变材料微胶囊表面吸附纳米颗粒对传热过程的影响本文还通过数值方法研究纳米颗粒(或纳米颗粒团聚体)吸附在较大的相变材料微胶囊表面对换热过程的影响，分析了被吸附的纳米颗粒的粒径，数量和纳米颗粒热导率对相变材料微胶囊与流体之间传热速率的影响，总结出相变材料微胶囊与流体之间传热Nusselt数的关系式。进而研究了微胶囊与流体之间对流换热Nusselt数对微胶囊内部相变过程的影响，求解了基于焓法的糊状区模型，结果显示这种吸附作用改变了微胶囊表面的温度分布，提高了流体-颗粒之间的对流换热Nu数，进而缩短了相变所需时间，对潜热型功能热流体的强化对流换热有积极影响。5．潜热型功能热流体在大高宽比矩形通道内的对流换热特性本文建立功能流体在大高宽比(7.1:1)矩形通道内对流换热实验系统，研究质量浓度0~20%的潜热型功能热流体在大高宽比矩形通道内对流换热特性，讨论流体的质量流量以及相变颗粒的浓度对流体换热性能的影响，并且分析了高宽比对潜热型功能热流体强化传热的影响。