论文总字数：28369字

摘 要

纳米流体是近年来在强化换热领域较受关注的新型材料，由于纳米颗粒的小尺寸效应、量子尺度效应和表面效应更加明显，纳米流体具有更加优异突出的热力性能。相关学者已对纳米流体的制备、稳定性、传热性能、导热机理有了不少研究工作，并取得了一些成果，但是大多数仍是静态稳定性的研究，动态稳定性方面目前研究较少，本设计则通过自行搭建实验台，研究纳米流体的动态稳定性以及对流传热特性。主要工作可分为以下几个方面：

（1）通过搭建微型实验台，测量了动态运行下不同时刻的纳米流体（TiO₂-H₂O、碳纳米管-水）的吸光度，分析其稳定性，同时与静态稳定性对比。实验结果表明：动态运行和静态放置时，吸光度都随时间而减小，但动态条件下的吸光度要始终大于静态条件下的吸光度，证明纳米流体动态条件下的悬浮稳定性优于静态条件。

（2）研究了不同条件对于纳米流体动态物性的影响。研究了超声、分散剂、鼓泡对纳米流体吸光度的影响，实验结果表明：分散剂的加入可以提高纳米流体的稳定性，超声和鼓泡可以短暂增强稳定性但不可持续。

（3）对动态和静态的纳米流体进行了粘度的测定、处理和分析，研究结果表明：粘度与较多的因素有关，在整个实验过程中呈较不规律的变化。

（4）研究了纳米流体的对流换热特性，利用恒温水浴，测出了不同流量下纳米流体的对流换热系数。同时设置了纯水实验作为对照，实验及分析结果表明：纳米颗粒的加入有效提高了流体的对流换热系数，且在低流速场合下，纳米流体的导热行为和纯水差别不大，但在大流速场合下，纳米流体的导热行为大大增强。

关键词：纳米流体，动态稳定性，对流换热，物性

Abstract

Nanofluid is a new material in the field of heat transfer enhancement in last several years, because of its small size effect, quantum scale effect and surface effect, nanofluid has more outstanding thermal performance. Many researchers have studied the preparation, stability, heat transfer performance of nanofluid who have made some achievements. But most of them are the research of static stability, the research of dynamic stability is less. The dynamic stability and convective heat transfer characteristics of nanofluid are studied by setting up experimental platform. The main work can be divided into the following aspects:

(1)The absorbance of water based TiO₂ and CNTs nanofluid in dynamic operations at different running time are tested to analyze its stability compared with a static control group. The experimental results show that the absorbance is decreased with time whatever dynamic operation and static placement, but the absorbance under dynamic conditions is always higher than that of static condition , which proved that the suspension stability of nanofluid under dynamic operation is better than the static one.

(2)We researched the effects of ultrasonic, surfactant and bubbling on the absorbance and viscosity of nanofluid. The results showed that the surfactant could improve the stability of nanofluid, and the ultrasonic and bubbling could enhance the stability temporarily.

(3)The viscosity of the dynamic and static nanofluid is measured and analyzed. The results show that: the viscosity is related to many factors, and it has an irregular change during the whole experiment.

(4)The convective heat transfer characteristics of nanofluid is studied. We calculated the convective heat transfer coefficients of nanofluid under different flow rates. The pure water experiment was set up as a control meanwhile. The results showed that: the addition of nanoparticles can increase the convective heat transfer coefficients of the fluids effectively, furthermore the difference between thermal conductivity of nanofluid and pure water is small in low flow rate conditions but nanofluid thermal conductivity is greatly enhanced in the case of high flow rate conditions.

KEY WORDS: Nanofluid, dynamic stability, convection heat transfer, physical property

目录

摘要 I

Abstract II

第一章 绪论 3

1.1研究背景及意义 3

1.2研究现状 4

1.2.1制备与稳定性 4

1.2.2热导率 4

1.2.3粘度 5

1.3设计研究内容 5

第二章 纳米流体的动态及静态物性研究与对流换热特性实验台系统 7

2.1 实验目的和内容 7

2.2 实验原理及系统介绍 7

2.2.1 静态物性研究环节 7

2.2.2动态物性研究系统及对流换热系统 8

2.2.3 实验测量仪器仪表介绍 10

2.3实验安排及步骤 12

2.3.1前期工作 12

2.3.2静态物性研究实验步骤 12

2.3.3 动态物性研究实验步骤 13

2.3.4 对流换热研究实验步骤 13

2.4 本章小结 14

第三章TiO₂-H₂O纳米流体实验结果分析 15

3.1 TiO₂-H₂O纳米流体的浓度选择以及分散剂的选择 15

3.2 静态条件下TiO₂-H₂O纳米流体的稳定性结果分析 15

3.3 动态条件下TiO₂-H₂O纳米流体的动态稳定性结果分析 17

3.4 分散剂对动态稳定性的影响情况 18

3.5 超声剪切对动态稳定性的影响情况 20

3.6 鼓泡对动态稳定性的影响情况 20

3.7 不同条件下TiO₂-H₂O纳米流体粘度的变化情况 21

3.8 TiO₂纳米颗粒微观图像 22

3.9 本章小结 23

第四章 碳纳米管纳米流体的实验结果分析 24

4.1 碳纳米管纳米流体的浓度选择以及分散剂的选择 24

4.2 动态条件下纳米流体的动态稳定性结果分析 24

4.3 超声剪切对动态稳定性的影响情况 25

4.4 鼓泡对动态稳定性的影响情况 26

4.5 碳纳米管微观图像 26

4.6本章小结 27

第五章 纳米流体的对流换热特性研究 28

5.1 威尔逊图解法原理简介 28

5.2 纯水的实验数据分析结果 29

5.3 TiO₂-H₂O纳米流体的实验数据及分析结果 30

5.4 碳纳米管纳米流体的实验数据及分析结果 31

5.5 本章小结 32

第六章 研究总结与展望 33

6.1 研究总结 33

6.2 研究展望 33

参考文献 35

致谢 37

第一章 绪论

1.1研究背景及意义

能源、信息、材料是现代社会的三大支柱，能量传递过程逐渐深入到各个工业和高新技术领域，包括电力、石化、钢铁等传统工业和核能、电子等高新技术。能量的传递和转换效率是整个系统效率的最重要部分，热能作为能量的一种常见形式，是人类使用历史最久、应用范围最广泛的能量形式，在现代社会，热能依然是生产生活过程中的主要能量载体，以电力行业为例，无论是传统火电还是核电技术，都是将一次能源（煤炭、石油、天然气、核能等）加工转换成二次能源（蒸汽等），其换热过程中的能流是非常巨大的，由于环节众多、制造工艺等原因，电厂的效率通常在26~43%左右^[1]，大多的能量损失是换热过程产生的废热损失，因此强化换热一直受到广泛重视，不仅可以提高系统的热效率，保证工作稳定，还可以减小换热设备的尺寸，大大降低设备的金属耗量和成本，也减少了能量输运时的损耗，具有重大的经济效益和环保节能意义，十分符合当下可持续发展和节能减排的大环境。

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