Journal of Heat Transfer

Nanofluids là các colloids được chế tạo từ một chất lỏng nền và các hạt nano (1-100nm). Nanofluids có độ dẫn nhiệt và hệ số truyền nhiệt dạng đơn pha cao hơn so với chất lỏng nền của chúng. Đặc biệt, sự gia tăng hệ số truyền nhiệt dường như vượt ra ngoài hiệu ứng dẫn nhiệt đơn thuần và không thể được dự đoán bằng các tương quan chất lỏng nguyên chất truyền thống như Dittus-Boelter. Trong tài liệu về nanofluid, hành vi này thường được cho là do sự phân tán nhiệt và sự khuếch tán tăng cường, được tạo ra bởi chuyển động của hạt nano. Để kiểm tra tính hợp lệ của giả định này, chúng tôi đã xem xét bảy cơ chế trượt có thể tạo ra vận tốc tương đối giữa các hạt nano và chất lỏng nền. Các cơ chế này bao gồm quán tính, khuếch tán Brown, nhiệt độ khuếch tán, khuếch tán, hiệu ứng Magnus, thoát chất lỏng và trọng lực. Chúng tôi kết luận rằng, trong bảy cơ chế này, chỉ có khuếch tán Brown và nhiệt độ khuếch tán là các cơ chế trượt quan trọng trong nanofluids. Dựa trên phát hiện này, chúng tôi phát triển một mô hình cân bằng không đồng nhất hai thành phần với bốn phương trình cho việc vận chuyển khối lượng, động lượng và nhiệt trong nanofluids. Phân tích không chiều kích của các phương trình gợi ý rằng sự truyền năng lượng qua sự phân tán của các hạt nano là không đáng kể, do đó không thể giải thích các gia tăng bất thường của hệ số truyền nhiệt. Hơn nữa, việc so sánh giữa thời gian và chiều dài quy mô của hạt nano và xoáy lốc hỗn loạn chỉ rõ rằng các hạt nano di chuyển đồng đều với chất lỏng trong sự hiện diện của các xoáy lốc hỗn loạn, vì vậy một ảnh hưởng đến cường độ hỗn loạn cũng bị nghi ngờ. Do đó, chúng tôi đề xuất một giải thích thay thế cho các gia tăng bất thường của hệ số truyền nhiệt: các thuộc tính của nanofluid có thể thay đổi đáng kể trong lớp biên do ảnh hưởng của gradient nhiệt độ và nhiệt độ khuếch tán. Đối với một chất lỏng được gia nhiệt, những ảnh hưởng này có thể dẫn đến sự giảm đáng kể độ nhớt trong lớp biên, do đó dẫn đến việc cải thiện truyền nhiệt. Một cấu trúc tương quan để nắm bắt những ảnh hưởng này được đề xuất.

Một hệ thống thí nghiệm đã được thiết lập để nghiên cứu chuyển giao nhiệt đối lưu và các đặc điểm dòng chảy của nanofluid trong một ống. Cả hệ số chuyển giao nhiệt đối lưu và hệ số ma sát của các mẫu nanofluid cho dòng chảy hỗn loạn đều được đo lường. Các tác động của các yếu tố như tỉ lệ thể tích của các hạt nano lơ lửng và số Reynolds đến chuyển giao nhiệt và đặc điểm dòng chảy được thảo luận chi tiết. Một loại mối tương quan mới về chuyển giao nhiệt bức xạ được đề xuất nhằm liên kết dữ liệu thí nghiệm về chuyển giao nhiệt cho nanofluid.

Các nanofluid oxit đã được sản xuất và độ dẫn nhiệt của chúng đã được đo bằng phương pháp dây nóng tạm thời. Kết quả thí nghiệm cho thấy các nanofluid này, chứa một lượng nhỏ các nanoparticle, có độ dẫn nhiệt cao hơn đáng kể so với các chất lỏng tương tự không chứa nanoparticle. So sánh giữa các thí nghiệm và mô hình Hamilton và Crosser cho thấy mô hình có khả năng dự đoán độ dẫn nhiệt của các nanofluid chứa các hạt Al2O3 kết agglomerated lớn. Tuy nhiên, mô hình dường như không đầy đủ cho các nanofluid chứa các hạt CuO. Điều này gợi ý rằng không chỉ hình dạng của các hạt mà cả kích thước cũng được coi là yếu tố quyết định trong việc cải thiện độ dẫn nhiệt của các nanofluid.

Một biểu thức chung có thể được sử dụng để dự đoán nồng độ thể tích trung bình hoặc để phân tích và diễn giải dữ liệu thực nghiệm đã được phát triển. Phân tích này xem xét cả ảnh hưởng của dòng chảy không đồng nhất và các phân bố nồng độ cũng như ảnh hưởng của vận tốc tương đối cục bộ giữa các pha. Ảnh hưởng đầu tiên được xem xét bằng một tham số phân bố, trong khi ảnh hưởng thứ hai được tính toán bằng vận tốc trôi trung bình có trọng số. Cả hai ảnh hưởng đều được phân tích và đánh giá. Các kết quả dự đoán từ phân tích được so sánh với dữ liệu thực nghiệm thu được cho nhiều chế độ dòng hai pha khác nhau, với các hỗn hợp chất lỏng-khí khác nhau trong dòng chảy thụ động, thẳng đứng qua một khoảng áp suất rộng. Sự phù hợp tốt với dữ liệu thực nghiệm đã được chỉ ra.

Các chất lỏng truyền nhiệt thông thường với các hạt siêu nhỏ có kích thước nanomet được gọi là nanofluids, điều này đã mở ra một chiều hướng mới trong các quá trình truyền nhiệt. Các nghiên cứu gần đây xác nhận tiềm năng của nanofluids trong việc nâng cao khả năng truyền nhiệt cần thiết cho công nghệ hiện đại. Nghiên cứu hiện tại đi sâu vào việc điều tra sự gia tăng độ dẫn nhiệt theo nhiệt độ cho các nanofluids với chất lỏng nền là nước và các hạt Al2O3 hoặc CuO làm vật liệu lơ lửng. Một kỹ thuật dao động nhiệt độ được sử dụng để đo lường độ khuếch tán nhiệt, và độ dẫn nhiệt được tính toán từ đó. Kết quả chỉ ra sự gia tăng các đặc tính tăng cường theo nhiệt độ, điều này làm cho nanofluids trở nên hấp dẫn hơn cho các ứng dụng có mật độ năng lượng cao hơn so với các phép đo nhiệt độ phòng thông thường được báo cáo trước đây.

Đề xuất một phương trình cấu trúc phổ quát giữa vectơ dòng nhiệt và độ gradient nhiệt độ nhằm bao quát các hành vi cơ bản của hiện tượng khuếch tán (vĩ mô cả về không gian lẫn thời gian), sóng (vĩ mô trong không gian nhưng vi mô trong thời gian), tương tác phonon–electron (vi mô cả về không gian và thời gian), và sự tán xạ thuần túy của phonon. Mô hình này được tổng quát hóa từ khái niệm độ trễ hai pha, ghi nhận hành vi độ trễ trong phản ứng tốc độ cao. Trong khi độ trễ pha của dòng nhiệt nắm bắt phản ứng quy mô nhỏ theo thời gian, độ trễ pha của độ gradient nhiệt độ nắm bắt phản ứng quy mô nhỏ theo không gian. Dạng năng lượng phổ quát của phương trình giúp xác định các tham số vật lý chi phối việc chuyển đổi từ cơ chế này (chẳng hạn như khuếch tán hoặc sóng) sang cơ chế khác (tương tác phonon–electron).

Một mối tương quan đơn giản đã được phát triển trước đó bởi Kandlikar (1983) để dự đoán hệ số truyền nhiệt trong quá trình sôi hai pha bão hòa bên trong các ống nằm ngang và thẳng đứng. Nó dựa trên một mô hình sử dụng các đóng góp từ quá trình sôi sinh khí và cơ chế đối lưu. Mô hình này đã đưa vào một tham số phụ thuộc vào chất lỏng Ffl trong thuật ngữ sôi sinh khí. Khả năng dự đoán của mối tương quan này cho các loại chất làm lạnh khác nhau đã được xác nhận thông qua việc so sánh với dữ liệu gần đây về R-113 của Jensen và Bensler (1986) cũng như Khanpara và các cộng sự (1986). Trong công trình hiện tại, mối tương quan trước đó được tinh chỉnh thêm bằng cách mở rộng cơ sở dữ liệu lên 5246 điểm dữ liệu từ 24 nghiên cứu thực nghiệm với mười loại chất lỏng. Mối tương quan đề xuất, các phương trình (4) và (5), cùng với các hằng số được cung cấp trong Bảng 3 và 4, cho độ lệch trung bình là 15,9% với dữ liệu nước và 18,8% với các dữ liệu chất làm lạnh khác, đồng thời cũng dự đoán đúng xu hướng hTP so với x như đã được xác nhận với dữ liệu nước và R-113. Việc thử nghiệm bổ sung với dữ liệu R-22 và R-113 gần đây đã cho thấy những độ lệch trung bình thấp nhất trong số các mối tương quan đã được thử nghiệm. Mối tương quan được đề xuất có thể được mở rộng cho các chất lỏng khác bằng cách đánh giá tham số phụ thuộc vào chất lỏng Ffl cho chất lỏng đó từ dữ liệu sôi trong dòng chảy hoặc sôi trong bể của nó.

This paper reports an experimental and numerical study of forced convection in high porosity (ε∼0.89–0.97) metal foams. Experiments have been conducted with aluminum metal foams in a variety of porosities and pore densities using air as the fluid medium. Nusselt number data has been obtained as a function of the pore Reynolds number. In the numerical study, a semi-empirical volume-averaged form of the governing equations is used. The velocity profile is obtained by adapting an exact solution to the momentum equation. The energy transport is modeled without invoking the assumption of local thermal equilibrium. Models for the thermal dispersion conductivity, kd, and the interstitial heat transfer coefficient, hsf, are postulated based on physical arguments. The empirical constants in these models are determined by matching the numerical results with the experimental data obtained in this study as well as those in the open literature. Excellent agreement is achieved in the entire range of the parameters studied, indicating that the proposed treatment is sufficient to model forced convection in metal foams for most practical applications. [S0022-1481(00)01903-4]

Có sự đa dạng lớn của các dòng đối lưu do ảnh hưởng của lực nổi trong các không gian kín, là điều thú vị trong khoa học và công nghệ. Những dòng đối lưu này đặt ra những vấn đề vật lý và toán học mới mẻ và đầy thách thức. Trong bài viết, chúng tôi nhấn mạnh vào những phức tạp của các hiện tượng này, ví dụ như việc kết hợp giữa dòng chảy và vận chuyển, giữa lớp biên và dòng chảy trung tâm, cũng như sự tương tác giữa dòng chảy và lực điều khiển, điều này làm thay đổi các khu vực mà trong đó lực nổi tác động, và sự xuất hiện của các tiểu vùng dòng chảy (các ô và các lớp). Tầm quan trọng của phân tích đặc trưng và thí nghiệm để xác định chi tiết dòng chảy được thảo luận, và các nguyên tắc cơ bản của các kỹ thuật phân tích đặc trưng được phác thảo. Những hệ quả của điều này đối với các phương pháp số được trình bày, và những hạn chế của các giải pháp hoàn toàn số được chỉ ra. Các công trình tiêu biểu bao gồm một loạt các vấn đề cũng được thảo luận.

Một phương trình tổng quát duy nhất được phát triển cho tốc độ truyền nhiệt và khối lượng từ một hình trụ tròn trong dòng chảy ngược, bao gồm toàn bộ phạm vi Pr (hoặc Sc) và toàn bộ phạm vi Re mà dữ liệu có sẵn. Biểu thức này là một giới hạn dưới (trừ trường hợp có thể cho RePr < 0.2); độ nhiễu của dòng chảy tự do, hiệu ứng cuối, sự cản trở kênh, đối lưu tự do, v.v., có thể làm tăng tốc độ này. Trong điều kiện hoàn toàn không có đối lưu tự do, biểu thức lý thuyết của Nakai và Okazaki có thể chính xác hơn cho RePr < 0.2. Phương trình tương quan dựa trên các kết quả lý thuyết về ảnh hưởng của Pr trong lớp biên giãn nở, và cả kết quả lý thuyết và thực nghiệm về ảnh hưởng của Re. Quá trình tương quan cho thấy cần có các kết quả lý thuyết về ảnh hưởng của Pr trong vùng lốc xoáy. Dữ liệu thực nghiệm bổ sung cho ảnh hưởng của Pr tại Pe nhỏ và cho ảnh hưởng của Re trong quá trình chuyển tiếp tại điểm tách cũng cần thiết.