石墨烯纳米流体的制备和换热特性研究
哈尔滨工业大学工学硕士学位论文
目录
摘要 ............................................................................................................................... I ABSTRACT ..................................................................................................................... I I 目录 .............................................................................................................................. IV 第1章绪论 (1)
1.1引言 (1)
1.2国内外研究现状 (2)
1.2.1 纳米流体制备与稳定性 (2)
1.2.2 纳米流体物性参数 (4)
1.2.3 纳米流体换热数值模拟研究 (6)
1.2.4 纳米流体的应用 (7)
1.3本文的主要研究内容 (10)
第2章石墨烯纳米流体的制备及物性参数测量 (12)
2.1石墨烯的制备与表征 (12)
2.2石墨烯纳米流体物性参数 (15)
2.3.1 纳米流体导热系数的测量 (15)
2.3.2 纳米流体粘度的测量 (18)
2.3.3 纳米流体界面接触角的测量 (23)
2.3.4 纳米流体表面张力的测量 (24)
2.3本章小结 (26)
第3章石墨烯纳米流体自然对流换热数值模拟研究 (28)
3.1数学模型 (28)
3.2计算方法与模型验证 (29)
3.2.1 控制方程 (29)
3.2.2 初始条件和边界条件 (31)
3.2.3 物性参数 (31)
3.2.4 网格划分及无关性验证 (32)
3.2.5 模型验证 (32)
3.3数值模拟结果与分析 (33)
3.3.1 温度场与速度场 (33)
3.3.2 自然对流换热系数 (37)
3.3.3 热壁面自然对流热流密度 (39)
3.4本章小结 (39)
第4章石墨烯纳米流体沸腾换热数值模拟研究 (41)
4.1数学模型 (41)
4.2计算方法与模型验证 (41)
- IV -
哈尔滨工业大学工学硕士学位论文
4.2.1 控制方程 (41)
4.2.2 初始条件和边界条件 (44)
4.2.3 物性参数 (45)
4.2.4 网格划分及无关性验证 (45)
4.2.5 模型验证 (46)
4.3数值模拟结果与分析 (47)
4.3.1 沸腾过程 (47)
4.3.2 沸腾换热特性 (49)
4.3.3 沸腾曲线 (52)
4.4本章小结 (53)
结论 (55)
参考文献 (57)
攻读学位期间发表的学术论文 (63)
哈尔滨工业大学学位论文原创性声明和使用权限 (64)
致谢 (65)
- V -
哈尔滨工业大学工学硕士学位论文
第1章绪论
1.1 引言
能源作为当今世界发展不可缺少的资源，在国家发展与国民生活中起着愈发重要的地位。随着现代工业的迅猛发展，能源的利用与日俱增。传统能源巨大消耗的现实与能源紧缺的危机如达摩克斯利剑始终悬挂在人类头顶。如何才能最有效利用能源，如何才能实现能源利用的效益最大化，这已经成为全球各行各业人们所关心的问题。
在能源的利用过程中，热能的利用占到了绝对主导的地位。热量的传递广泛存在于自然界中，从远古的钻木取火到工业时代的大型换热器，能否高效利用能源是一个文明发达与否的标志。随着现代工业的发展，人们对热量传递有了更加直观的认识，对热量传递的重要性也有了更加深刻的理解。近年来，中国的能源供应和需求的日趋紧张，能源安全也更严重。在开发传统能源的同时，有必要大力开发新能源，同时，在能源利用的过程中，提高换热效率，加大能源利用的效率在使用往往能达到事半功倍的结果。
在热量的利用的过程中，长久以来，水、乙醇等流体作为介质在发挥着重要的作用。纳米流体这一物质于1995年由Choi[1]等人根据基于麦克斯韦理论[2]创新性地提出。他们在流体中加入纳米尺度的固体颗粒，所得的纳米流体展现出了良好的导热特性[3]。这种纳米流体是指在基液中加入纳米尺度的固体颗粒，在分散剂[4]的作用下形成稳定的胶体悬浊液。根据麦克斯韦理论，金属、金属氧化物等固体物质的传热性能要远远好于液体，这些固体颗粒如果能够与液体良好的混合，将会极大的提升纯液体的导热性能。这种新型的传热工质一经提出即受到了学术界的广泛关注。
与普通的传热工质相比，纳米流体具有如下的特性与优点：
（1）导热性能极大提升，根据麦克斯韦理论，流体的热传导能力会因为固体颗粒的加入得到明显的提升，液体中的颗粒含量越大，所得的纳米
流体的导热性能也越好。
（2）纳米颗粒使基液的表面张力减小，改善基液的润湿性能，能极大地提升工质流体的对流传热与沸腾换热能力，改良基液的蒸发特性。
（3）当纳米颗粒分散在基液中，体系的光学性能将发生改变，纳米流体对某些特定波段内的光吸收率将大大增加，这种变化会使纳米流体呈现