Al-水纳米流体冲击射流流动换热特性研究

孙 斌，曲 艺

(东北电力大学 能源与动力工程学院，吉林 吉林 132012)

Al-水纳米流体冲击射流流动换热特性研究

孙 斌，曲 艺

(东北电力大学 能源与动力工程学院，吉林 吉林 132012)

实验以Al-水纳米流体为工质对冲击射流冷却系统的综合性能进行了研究，主要研究了纳米流体与水在不同流速、不同射流条件下冲击射流的换热效率并分析了对于分散剂对射流工质影响。结果表明：对于添加了纳米流体的冲击射流冷却系统，射流换热效率得到显著提高，但对于系统的压降并没有很大的改变。对比不同的射流条件：存在一个特定的射流高度，使换热系数达到最大值；换热面的形式对冲击射流有着明显影响，内弧面换热面可以有效提高冲击射流的换热系数。

纳米流体；冲击射流；高效换热

冲击射流是解决传热问题的有效途径之一[1]。与层流流动相比，流体射流具有更高的热质交换能力并且冲击射流易于控制的冲击换热区域[2]。Bardbury[3]对单孔自由射流的流动机理进行了探索，研究了单孔自由射流典型的速度分布形式及轴向速度的衰减规律。实验结果表明，在单孔自由射流的中心区，流体的速度高、波动大，而且湍流度非常高，因此具有极大的强化换热潜力。Stevens[4]为了得到喷嘴形状对冲击射流换热效果的影响，研究了管状喷嘴和孔型喷嘴的喷射换热性能。实验结果表明，孔型喷嘴的射流紊流度较大，导致冲击射流的传质率和换热系数比管状喷嘴高。

纳米流体是以一定的方式和比例在基液(水、酒精等)中添加纳米级金属或非金属氧化物粒子，形成的一类具有高导热系数的均匀稳定的新型传热工质[5]。纳米流体以优异的导热性与稳定性，为冲击射流的工质提供了新的选择[6]。研究表明，将纳米级固体金属或金属氧化物颗粒添加，基液中会明显提高其换热效率[8]。在纳米流体冲击射流的相关研究中，Huang[7]进行了Al2O3-水纳米流体浸没式冲击射流换热实验，对比了不同流流速、喷射距离下换热系数及压力损失。

以往的研究已经表明，添加了纳米流体的射流装置，可以提高对换热系数，但是具体何种射流结构为纳米流体射流的较为有效结构，相关实验并没有说明。本文主要以Al纳米颗粒制备的纳米流体进行实验，将得到的一些相关数据对纳米流体的传热特性进行讨论，确定射流实验中分散剂适用种类及配比量，具有较高的工程实用意义。

1 实验系统及测量方法

1.1 纳米流体的制备

首先，本实验对分散剂的添加量和种类对纳米流体稳定性的影响做了研究。制备了不同工况的质量分数为0.1%Al-水纳米流体。此过程中选用的分散剂分别为十二烷基苯磺酸钠(SDBS)、阿拉伯树胶粉和十六烷基三甲基氯化铵(1631氯)，分散剂质量分数分别为0.00%、0.02%、0.04%、0.06%、0.08%、0.10%、0.12%、0.14%。

图1 Al-水纳米流体不同分散剂种类和添加量时的稳定性

从图1可以看出添加SDBS的纳米流体稳定性显著优于其他两种分散剂，且添加比例为1∶1时，分散效果最佳。因此本实验在制备Al-水纳米流体的时候，将选用SDBS作为分散剂。

1-储液箱；2-磁力离心泵；3-转子流量计；4、5-阀门；6-预热段；7-压差计；8-射流实验段；9-陶瓷加热芯；10-数据采集器；11-计算机；12-冷却段图2 实验系统结构

采用两步法制备纳米流体，利用透射比分析质量分数0.1%，0.2%，0.3%，0.4%，0.5%的Al-水纳米流体的稳定性[8]。经重力沉降后的纳米流体，吸取上层清液，在分光光度计中进行透射率测定。 经测定制备的纳米流体在24小时内都较为稳定，没有发生明显的团聚沉淀现象。

1.2 实验系统

实验系统如图2所示流程如下：将制备好的纳米流体放入储液箱中，由扬程为30 m的磁力泵提供循环动力，采用涡轮流量变送器测量流体体积流量。纳米流体经预热段预热为恒定25摄氏度后进入实验测试段进行换热实验。将四个热电阻分别布置在射流入口处、射流出口处和紫铜圆柱中心及二分之一半径处，从而测量流体入口温度、流体出口温度以及紫铜圆柱的温度。两个功率为50 W的陶瓷加热芯对称放置在紫铜圆柱二分之一半径处，用来提供热量。为降低测量误差，紫铜柱体内部的陶瓷加热芯以及热电阻都涂抹导热膏减小其传热热阻。紫铜柱体外包裹石棉进行保温，紫铜换热面分别进行三种处理，如图3所示，分别为镜面打磨处理、深2 mm的光滑内凹弧面和深2 mm同心圆凹槽。压差计，流量计和热电阻所采集的数据通过USB-4716数据采集器输入电脑，进行实时检测记录。

图3 三种射流换热面

2 数据处理与不确定性分析

采用牛顿(Newton)冷却公式，流体流动的传热系数可写为

(1)

流体的平均温度采用下式计算：

(2)

由于热电阻测点与换热面具有一定距离，可能导致热电阻测温面与实际的射流冲击换热表面温度不一致，而且这种温度不一致性随着热流密度的增大而增大。为了减少实验误差，应考虑紫铜块热阻的影响：

(3)

(4)

努塞尔数Nu定义为：

(5)

本实验使用的不同浓度的纳米流体导热系数knf均由DRE-Ш型导热系数测定仪测量。

雷诺数定义为：

(6)

其中，纳米流体的密度ρnf[9]为：

ρnf=(1-φ)ρbf+φρ，

(7)

由于纳米流体的体积分数难以精准测定，本实验由纳米流体质量分数进行计算：

(8)

为了得到更准确的实验结果，需要对系统进行误差分析及不确定度评估[10]，使用仪器的参数及不确定度见表1，变量的不确定度见表2。

表1 仪器的参数及不确定度

表2 实验变量及其不确定度

3 实验结果及分析

3.1 换热特性

在实验前，对试验系统进行热平衡计算，计算输入功率Q与测试段工质获得的热功率Ql的偏差。热平衡偏差为[11]：

(9)

经计算，热平衡偏差小于7%，因此工质能够获得的总功率非常接近100 W。

3.1.1 纳米流体冲击射流换热性能分析

实验中，分别测试了质量分数分别是0.1%、0.2%、0.3%、0.4%、0.5%的Al-水纳米流体的射流换热系数，分析了纳米粒子提及份额、种类，射流速度以及射流高度对冲击射流换热性能的影响。

图4 Al-水纳米流体与水换热系数随Re数的变化

图4表示射流直径3 mm喷嘴直径1 mm圆形喷嘴的冲击射流换热情况，可以看出水和纳米流体的冲击射流换热系数随射流流速呈近似线性的上升趋势，但是，冲击射流的换热系数与纳米粒子的质量分数不是完全的递增关系。在质量分数为0.4%时的纳米流体Nu提升较好，继续增加纳米粒子至质量分数为0.5%时，换热系数不再明显增加。这是因为纳米粒子的质量分数过大，会导致纳米流体的粘度过大，射流路径中的能量衰减加快，出口射流速度相同时，冲击到换热面的速度减小，对换热效果起负面作用；另外，当纳米流体质量分数过大时，纳米颗粒更易发生沉淀现象，会有少部分纳米颗粒沉淀到储液箱底部，导致实际参与换热的纳米流体质量分数下降，使换热系数不再升高。从图中可以看出，无论在何种射流组成方式中，添加了纳米颗粒的纳米流体的换热系数都较去离子水的换热系数有了一定的提升。这是由于纳米粒子的添加，增加了去离子水的有效导热系数，此外，粒子内部的碰撞加快了热量传递的速率。

3.1.2 射流参数的变化对换热的影响

图4中，分析得出在纳米流体的质量分数为0.4%时，换热效果提升最为显著。因此，对于射流结构的讨论，选用质量分数为0.4%的纳米流体作为对比量。图5表示不同射流距离下，质量分数为0.4%的纳米流体在喷嘴直径3 mm时的冲击射流换热Nu随Re的变化。从实验结果发现，一方面冲击射流换热Nu随Re的增加而增加，近似呈线性增加；另一方面，在一定的射流速度阈值内，对应相同的射流速度条件下，当射流冲击高度与喷嘴直径之比H/D为2时换热效果最好；H/D为1时换热效果最差。这是由于当射流冲击高度过小时，射流由喷嘴喷出到达冲击面之前，射流未能得到充分发展，紊流度小，而且由于射流直径不大，覆盖面小，传热效果不佳；当冲击高度较大时，能量衰减较大，到达换热面的速度减小。

图5 不同喷射距离对换热的影响图6 不同换热面的冲击射流换热系数随Re的变化

图7 纳米流体质量分数对压降的影响

由图5可以看出，在喷嘴直径D与射流高度H的相关参数选择中，当H/D=2时，换热效果最佳，图6中，表示了质量分数为0.4%的纳米流体在喷嘴直径3 mm，射流高度为6 mm时的冲击射流换热系数随Re的变化。从图中可以看出，射流换热面形式的改变对对流换热系数是有影响的。在2 000-4 000雷诺数范围内，内弧面和同心圆槽换热面较镜面处理的换热面换热效果好。当Re继续增加后，同心圆槽换热面换热系数逐渐接近镜面处理换热面。当雷诺数超过6 000时，同心圆槽换热面的换热系数要比镜面换热面的对流换热系数稍低。这是因为在低流速下，工质射流冲击换热面的动能较低，射流后的工质大部分可以在冲击点换热后沿换热面流下，在流动的这个过程中也会带走一部分热量；但当流速过大时，工质射流动能较高，大部分工质不会顺换热壁面流下，而是会飞溅到有机玻璃壁面上。此时同心圆槽换热面对射流工质的飞溅效果最为明显，导致其换热系数低于另外两种换热面。图6中换热系数最高的是内弧面换热面，内弧的几何结构增加了有效换热面积也起到了汇集射流工质的作用，强化了换热效果。

3.2 流动特性

纳米粒子的加入显著增大了基液的导热系数，使其具有更优的传热性能，与此同时，纳米流体的粘度也相对增大。这对于该流体的输运条件有了更高的要求。图7给出了不同质量分数的Al-水纳米流体在射流距离为6 mm喷嘴直径为3 mm的条件下，降变化。从图7中可以看出，随着纳米颗粒质量分数的增加，实验系统的压降也随之增大。与去离子水相比，质量分数为0.1%，0.2%，0.3%，0.4%，0.5%纳米流体的压力降分别增加了2.3%，4.2%，5.6%，7.1%，8.2%。这是由于浓度增加而导致粘度增大等原因，使得压降也相应的有所提高。

4 结 论

本文采用“两步法”制备不同质量分数的Al-水纳米流体，并以此为实验工质，进行了纳米流体冲击射流的换热实验，得出以下结论：

(1)对比三种分散剂，SDBS作为分散剂配合Al-水纳米流体使用稳定性较高，其使用比例为1∶1时分散效果最好。

(2)与去离子水相比，纳米流体的换热性能随添加的纳米流体的质量分数的增加而增加。在大部分射流条件下，当纳米流体的质量分数为0.4%换热效果提升最为显著。

(3)实验发现无论对于水还是纳米流体，都存在一个特定的冲击高度使得冲击射流冷却效果达到最佳。当射流高度H与喷嘴直径D之比为2时，换热效果最好。对比三种换热面，内弧面换热面可以有效提高换热效果。

(4)实验中，纳米流体的压力降并未明显增大。另外，纳米流体的悬浮稳定性好，不会堵塞管道。

符 号 说 明

A——换热面积，m2

H——射流距离，mm

D——喷嘴直径, mm

h——换热系数，W·m-2K-1

k——导热系数，W· m-1K-1

Nu——努塞尔数

Ql——工质获得的功率，W

Q——输入功率，W

q——热量，J

Re——雷诺数

ΔT——温差，℃

T——温度，℃

u——流速，m·s-1

μ——动力粘度，Pa·s

ρ——密度，kg·m-3

φ——体积分数，%

下角标

bf——基液

in——入口

nf——纳米流体

out——出口

p——纳米颗粒

w——壁面

[1] A.E.Bergles.Heat Transfer Enhancement—The Encouragement and Accommodation of High Heat Fluxes[J].Journal of Heat Transfer，1997，119(1)：8-19.

[2] S.F.Sufian，M.Z.Abdullah，J.JMohamed.Effect of synchronized piezoelectric fans on microelectronic cooling performance [J].International Communications in Heat and Mass Transfer，2013，43(4)：81-89.

[3] L.J.S.Bradbury.The structure of a self-preserving turbulent plane jet [J].Journal of Fluid Mechanics，1965，23(1)：31-64.

[4] J.Stevens，Y.Pan，B.W.Webb.Effect of nozzle configuration on transport in the stagation zone of axisymmetric，impinging free-surface liquid jets：Partl-turbulent flow structure[J].J.Heat Tramsfer,1992，144(4)：874-879.

[5] S.U.S.Choi,J.A.Eastmau.Enhancing thermal conductivity of fluids with nanoparticles[J].ASME FED，1995，231(1)：99-105.

[6] Z.Azizi，A.Alamdari，M.Malayeri.Convective heat transfer of Cu-water nanofluid in a cylindrical microchannel heat sink[J].Energy Conversion and Management，2015，101(9)：515-524.

[7] D.Huang，Z.Wu，B.Sunden.Pressure drop and convective heat transfer of Al2O3-water and MWCNT/water nanofluids in a chevron plate heat exchanger[J].International Journal of Heat and Mass Transfer，2015，89(10)：620-626.

[8] 毋伟，陈建峰，等.超细粉体表面修饰[M].北京：化学工业出版社，2004.

[9] L.S.Sundar，M.T.Naik，K.V.Sharma，et al.Experimental investigation of forced convection heat transfer and friction factor in a tube with Fe3O4magnetic nanofluid[J].Experimental Thermal and Fluid Science，2012,37(2) 65-71.

[10] T.G.Beckwith，R.D.Marangoni，J.H.Lienhard，Mechanical Measurements[M].Fifthed.New York：Addison-Wesley Publishing company，1990：45-112.

[11] M.Trcalaa，J.Cermák.Nonlinearnite element analysis of thermal inertia in heat-balance sapow measurement[J].International Journal of Thermal Sciences，2014，76(2)：200-207.

Experimental Research on Heat Transferand Flow Characteristics of Impinging Jet with Al Nanofluids

Sun Bin，Qu Yi

(Energy Resource and Power Engineering College，Northeast Electric Power University，Jilin Jilin 132012)

In this paper，comprehensive performance of impinging jet cooling system heat exchanger was experimental studied using Al-nanofluids.Heat transfer efficiency was mainly researched by compared different flow rates，jet height and different types of nanofluids.And analyzed the impact of dispersant with the working fluid jet.The result shows that：the using of nanofluids on impinging jet cooling system significantly improved heat transfer efficiency，and the pressure drop of the system and not much change.Compared with different jet conditions：there is a particular jet height，maximum heat transfer coefficient.In the form of heat transfer surface of impinging jet has a significant impact，heat transfer surface of intrados can effectively improve the heat transfer coefficient of impinging jet.

Nanofluids； Impinging jet； Efficient heat transfer

2016-03-14.

孙 斌(1972-)，男，博士，教授，主要研究方向：多相流理论及应用.

1005-2992(2017)04-0067-07

TK121

A

电子邮箱： 358538315@qq.com(孙斌);419716765@qq.com(曲艺)