电场对微通道中纳米流体传热的影响.pdf
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1、第43卷第3期2023年5月DOI:10.13954/ki.hdu.2023.03.010杭州电子科技大学学报(自然科学版)Journal of Hangzhou Dianzi University(Natural Sciences)Vol.43 No.3May 2023电场对微通道中纳米流体传热的影响陈宸,王冠楠,邵纯,王瑞金,朱泽飞(杭州电子科技大学机械工程学院,浙江杭州310 0 18)摘要:纳米流体是微通道热沉中常见的传热介质,在纳米流体中利用电泳效应可以有效提高传热效率。针对Al2O3-HO纳米流体,数值模拟电场分布、电场方向对微通道中纳米流体传热的影响。研究发现:在电场作用区域内,
2、由于电泳力诱导了纳米流体的混沌对流,提高了传热效率;随着匀强电场数的增多,微通道内的强化传热效果增强;相邻2 个匀强电场之间的距离越大,强化传热能力越强。关键词:微通道;电场分布;纳米流体;传热中图分类号:X701.2文献标志码:A文章编号:10 0 1-9146(2 0 2 3)0 3-0 0 6 9-0 70 引 言对纳米流体传热性能展开大量研究后,学者们开始探索如何强化纳米流体的传热能力,主要包括改变纳米粒子形状、增强热辐射1-4、外加电场5-6、外加磁场7 和外加电磁场8 等。其中,外加电场因强化传热效果显著、应用面广、设备简单、易于控制热流和温度等优点受到广泛关注。Kunti等9 在
3、电动流体力学(Electro-HydroDynamics,EHD)对流传输的标度分析中探究了电泳力、介电电泳力和电致伸缩力的作用,研究结果表明,电泳力和电致伸缩力是电场力中的主导力,电致伸缩力随介电常数和电势梯度的平方变化,电泳力随2 个电极之间的电势差变化。Liu等10 1指出,电场的均匀度对电场力的产生有很大的影响,均匀电场下的纳米流体主要受电泳力的影响,而非均匀电场下的纳米流体主要受电致伸缩力的影响。文献11指出,施加正弦和方波电场可以有效避免纳米颗粒的大量聚集。本文建立了一个欧拉两相流模型,模型中包含纳米颗粒热泳运动、外加电场引起的电动流体力学效应以及布朗运动,通过数值模拟研究探讨何种
4、电场布置能最大程度增强纳米流体在微通道中的传热效果。1楼数值模型及有效性验证1.1行微通道几何模型本文将矩形微通道作为纳米流体的流动域,设计了一种电动流体力学的微通道模型,其几何模型如图1所示。微通道的整体形状是一个长为a=600m,宽为6=10 0 m的矩形。电场加载位置在微通道壁面处,加载区域长度均为G=60m,壁面边界条件为无速度滑移边界条件,且壁面位置处的温度不会发生跳跃。流体的连续相和分散相以2 0 mm/s的速度从微通道左端流人,流体的初始温度为2 9 3K,纳米粒子的体积分数都为1%。研究中,微通道单向均匀受热,受热壁为下壁面,热通量为q=80000W/m,其余壁面均为绝热壁。流
5、体工质为浓度1%的Al,Os-HzO纳米流体12,假设Al,O:-H,O纳米流体为牛顿流体,由外部压力驱动。收稿日期:2 0 2 2-0 6-2 1基金项目:浙江省教育厅一般科研资助项目(Y202146880)作者简介:陈宸(19 9 5一),男,研究方向:纳米流体传热。E-mail:c h e n c h d u.e d u.c n。通信作者:王瑞金,教授,研究方向:微流控。E-mail:W。70杭州电子科技大学学报(自然科学版)a2023年q图1微通道几何示意图假设纳米流体为不可压缩,在微通道中的流动为非定常的层流。水基纳米流体不带净电荷,故可忽略焦耳热,且微通道内通常为层流,可忽略黏性耗
6、散。此外,由于纳米粒子的尺寸较小,应考虑纳米粒子的布朗运动和温度梯度引起的热迁移运动。物质的总质量守恒、动量守恒、能量守恒和体积分数守恒的计算公式如下:Pav(par:V)=0(1)ata(onrV)+pnr(V.V)V=-Vp+arVV+Fata(pnrT)+prfCar(V.VT)=V.karVT+ppCpD:V,VT+Dratg+.Vg=V.D Vg+D,Tat式中,V,V,p,T,分别是梯度算子、纳米颗粒的速度、压力、温度和体积分数;p,c,k分别是密度、比热、动力黏度和导热系数;D.=3,K:T表示布朗扩散系数,KB=1.38110-23,dp是纳米粒子的直径;Dr=0.26式(2)
7、中的源项包含最重要的力一电动力12 1,式中,E,e 分别是电场强度和介电常数;纳米颗粒上的电荷量q=2元epd与电感应的zeta电位有关。式(5)中,右侧第qE,Vem项分别是电泳力、介电电泳力和电致伸缩力。在密度不变的情况下,由于纳米流体的介电常数几乎不会发生变化,故纯水的电致伸缩力忽略不计。为了得到电场,引入麦克斯韦方程组:式中,是电势,J是电流密度,q。为电荷量,t为时间。介质电泳力为:Fder=2元rer+ef纳米颗粒的体积分数和温度随时间和空间的变化而变化,所以,纳米流体的物性参数中,如动力黏度、密度、比热、热导率和介电常数,在不同的时间和位置都是不同的,物性参数应在模拟的每次送代
8、中更新。Al,O:-H,O纳米流体物性参数如表1所示。(2)VT VT(3)T(4)F=gE-TEVer+vEJEnfEF2(denfVXE=0E=-Vaq=0VJ+atVE(5)(6)(7)第3期物质类型水Al2O3与温度相关的水的动力黏度13为:由Brinkman14提出的纳米流体动力黏度为:式中,nr是流体工质的黏度,是纳米粒子体积分数。不能忽视电场对黏度的影响。遗憾的是,目前还没有成熟的相关黏度模型。因此,一般采用黏性模型,不考虑电黏性效应。密度和比热为:(10)(cp)nf=(cp)p+(1-p)(cp)nf(11)由Bruggeman理论得到AlO:一H,O纳米流体的有效导热系数1
9、5为:(d)0.37()0.7 5PrXRel;23kd.式中,,Pr和Re分别是普朗特数和雷诺数。为了更直观地对比电场的强化传热效果,相同雷诺数下,将无电场作用的Al2O:-H,O纳米流体的对流换热系数记为hi,处于电场作用的Al2O-H,O纳米流体的对流换热系数记为hd,两者的比值hb=ha/h,定义为换热系数之比,反映电场强化纳米流体传热的效果。对流换热系数h的定义如下:(13)式中,Tbm是壁温,T是固定位置处微通道中流体的平均温度。1.2有效性验证在进行数值仿真计算前需要对本研究的模型进行有效性验证。流体参数设置及模型几何结构与文献16 相同,选取文献16 中不同纳米粒子体积分数下的
10、整个通道的平均努塞尔数与本研究的模型进行对比,结果如表2 所示。努塞尔数Nu的定义如下:_hlNuk式中,h为换热系数,l为特征长度,k为流体的导热系数。表2 本文研究模型与文献16 的平均努塞尔数纳米粒子体积分数/%本文研究11.0553111.2521212.0379312.683 6413.4891从表2 可以看出,本研究的模型与文献16 的数据吻合良好,误差不超过3.2%,验证了本文研究模型的有效性。2楼数值模拟与分析2.1电极分布距离对传热的影响改变电极之间的距离e,将整块的匀强电场划分成3种不同类型的几何模型,如图2 所示。匀强电陈宸,等:电场对微通道中纳米流体传热的影响表1Al2
11、O3-H,O纳米流体物性参数密度/(kg/m)定压热容/(Jkg-1K-1)99841823970765r=(2.41410-5)10-1%)nf=br(1+2.5g)Pnf=9pp+(1-p)prh=T=T-T.文献16 10.799111,019 311.708112.368713.077 571导热系数/(Wm-1K-1)0.630.0247.8误差/%2.3722.1132.8172.5463.147(8)(9)(12)(14)72场被划分为3块电场区域,单个电场加载区域di=G/3=20m,施加的电压从左向右依次为一十,十一和一十,e,ei和e2为相邻2 个块状电场之间的距离,e=0
12、,ei=25m,e2=50m。杭州电子科技大学学报(自然科学版)2023年aab1 111 1 111(a)e=0不同电压的匀强电场与块状匀强电场对纳米流体传热的影响如图3所示。图3不同电压的匀强电场与块状匀强电场对纳米流体传热的影响由图3可知,当电压相同时,e2=50um的块状匀强电场的强化传热效果最佳,其次是匀强电场,ei=25m的块状匀强电场的强化传热效果略弱于匀强电场,e=0的块状匀强电场的强化传热效果最差,这说明将匀强电场划分为块状匀强电场时,其强化传热效果会减弱,但当块状匀强电场之间的距离e逐渐增大时,块状匀强电场的强化传热效果会大幅提升。U=2V时,匀强电场与块状匀强电场作用下,
13、纳米流体的等温线图与流线图如图4所示。(b)e;=25 m图2不同距离的电场分布模型2.0+匀强电场一e=0的块状匀强电场1.9+ei=25m的块状匀强电场-e2=50m的块状勾强电场1.81.71.61.51.41.31.2(c)e2=50 m12UIV3(a)匀强电场(b)e=0的块状匀强电场293.15293.65294.05294.45294.85295.24295.64296.04296.44296.84297.24297.64298.04298.44298.84299.23299.63300.03300.43300.83301.23301.63302.03302.4330282(c
14、)ei=25m的块状匀强电场图4U=2V时,匀强电场与块状匀强电场作用下的纳米流体等温线图与流线图(d)e2=50m的块状匀强电场第3期从图4可以看出,匀强电场及e=0的块状匀强电场作用下的纳米流体的等温线在微通道中心区域产生较大畸变,等温线形成2 个涡形结构;对比观察ei=25m与e2=50m的等温线图及流线图可以发现,等温线在微通道中心左侧区域就产生较大畸变,这是由于纳米粒子附近的流体工质呈正电性,在垂直方向上受到向上电泳力的作用,进而向上运动,由于相间作用力以及热泳效应的影响,纳米粒子也向上运动,来自下壁面的热量也就随着流体工质及纳米粒子向上的运动而向上传递,在块状匀强电场的作用且纳米流
15、体因连续受到方向相反的电泳力作用,在微通道内形成了4个涡,说明将块状匀强电场之间的距离拉大可以增强对流体的扰动程度;单独对比(c)图与(d)图中的等温线与流线图可以发现,后者的涡宽度更窄,这是因为前者相邻2 个块状匀强电场之间的距离较小,其形成的涡相互影响,最终削弱了电场的强化传热能力。U=2V时,匀强电场与块状匀强电场作用下纳米粒子体积分数分布如图5所示。陈宸,等:电场对微通道中纳米流体传热的影响731037.5(a)e,=25um的块状匀强电场图5U=2V时,匀强电场与块状匀强电场作用下纳米粒子体积分数分布图从图5可以看出,图5(b)中的纳米粒子分布形状清晰,呈4个涡状,且互不干扰,而图5
16、(a)中的纳米粒子分布呈4个涡状,边界不清晰,当纳米粒子受到相间作用力随流体工质运动时,下一个涡内的纳米粒子会与前一个涡内的纳米粒子互相干扰,进而削弱了纳米流体整体的传热效果。2.2电场划分方式对传热的影响将相邻2 个块状电场间的距离固定为e2=50m,并把电场划分为4个区域模型,如图6 所示。每个模型中,电场加载区域长度的总和均为G=60m,施加的电压从左向右依次为一十和十一循环,d=G/2=30 m,d=G/3=20 m,d=G/4=15 m,d=G/5=12 m。8a2e2+8.59b9.5(b)e2=50m的块状匀强电场ae2di1010.5(a)块状匀强电场IIade2!(b)块状匀
17、强电场ae2d4+b+(c)块状匀强电场IV不同电压下,不同块状匀强电场的强化传热效果如图7 所示。从图7 可以看出,当电压相同时,块状匀强电场V作用下的纳米流体的换热系数比最大,接下来依次是块状匀强电场IV、块状匀强电场、块状匀强电场以及匀强电场作用下的纳米流体,说明当相邻块状匀强电场的距离固定时,匀强电场划分成块状匀强电场的数量越多,电场的强化传热能力越强。U=2V时,不同块状匀强电场的纳米流体的等温线图与流线图如图8 所示。(d)块状匀强电场V图6 不同电场划分模型74杭州电子科技大学学报(自然科学版)2023年2.62.52.42.32.22.12.01.91.81.71.61.51.
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