磁纳米流体强化传热特性与相间作用

纳米流体是一种新型传热工质，近年来成为国内外研究的热点。相较于传统传热工质，纳米流体具有出色的导热性能。而磁纳米流体作为纳米流体的一种特殊形式，除具备纳米流体几乎所有的特性外，当改变磁纳米的颗粒种类和磁场参数时，在传热性能大幅度提升的同时也表现出极大地可控性。 本书以几种纳米流体作为研究对象，对其制备过程进行研究，尝试找到解决纳米流体稳定性差的方法；通过理论研究、对流传热系统实验与CFD仿真相互结合的方法研究磁纳米的颗粒种类、体积分数、进口温度、流动状态以及磁场的变化对纳米流体热导率的影响。

为实现经济、社会发展目标，我国大力提倡节能减排，加之近年来全球经济受到疫情等不稳定因素的影响，伴随着新的石油危机来临，国际油价持续飙升，如何提高能源利用率，高效利用新能源成为目前重点研究的方向。因此太阳能、地热能、光能、海洋能等无污染的新型能源的开发成为重中之重。而热能广泛应用于发电、采暖、工业和农业领域中，是当今社会中应用最广泛、最不可或缺的重要能源之一。在目前全球环境下，有效提高热能的收集效率和利用效率是非常重要的。此外，随着工业水平的提升，超大型机械设备、大功率电子设备和高度集成化的芯片广泛应用于化工生产、汽车制造、空调制冷、航空航天等领域，如何升级散热系统，使这些先进设备保持在正常温度工作，并收集产生的热能进行热管理也是重要的研究内容。
纳米流体是一种新型传热工质，近年来成为国内外研究的热点。相较于传统传热工质(气、水、油等)，纳米流体具有出色的导热性能。在基液(水、油和醇类等)中添加高热导率的固体金属纳米颗粒、金属氧化物纳米颗粒以及聚合物纳米颗粒，所获得的混合溶液具有远大于基液的热导率。而磁纳米流体作为纳米流体的一种特殊形式，除具备纳米流体几乎所有的特性外，当改变磁纳米颗粒种类和磁场参数时，在传热性能大幅度提升的同时亦表现出极大的可控性。它作为一种高效传热介质，在国家重大建设工程中被广泛应用，如航空航天、核能系统、电子元器件、能源动力、太阳能利用等领域，也是实现碳达峰与碳中和目标的主要技术路径。以集成电路领域(电子芯片)为例，在通过微缩芯片提升集成度的过程中产生较高的热流密度，单相制冷技术已无法满足冷却要求，而相变传热亦面临较大压降和干涸热失效风险，此时在微通道内采用磁纳米流体的制冷技术应运而生。
针对磁纳米流体或纳米流体的热物理性质、对流换热性能以及传热机理进行研究时，存在较大不确定性。如计算方法方面，热导率和黏度采用经典的经验公式计算，存在较大的偏差，且不同的研究者获得的结果相差较大；实验方面，即使采用相同的纳米流体为研究对象，不同科研团队却获得了不同的强化传热效果，他们获得的热导率实验数据存在较大的数据分散性和偏差；机理研究方面，大多从颗粒团聚、布朗运动、颗粒-液体界面的液体分层、纳米颗粒内部热载子弹性散射及热泳力等一个或两个方面进行定性解释，而一些发现却认为这些机制是不正确的。同时与基液的关系、对多因素耦合作用的影响程度还没有明确的结论。这些纳米流体存在的不确定性和反常现象，使在考虑磁纳米流体自身和外部的磁场因素时，其精准主动可调控性更是面临了巨大的挑战。总之，目前提出的众多热导率、对流换热系数模型、实验结论以及机理分析方法存在结果不一致、不够精准、理论体系不统一的问题，尚未有对各种纳米流体普适的模型和合理的理论支撑，没有从科学本源上揭示传热的本质规律等问题。因此，急需发展磁纳米流体的机理研究，以实现磁纳米流体在强化传热领域中高效、精准的主动传热控制，推动磁纳米流体的发展和应用。
综合纳米流体的优缺点可知，纳米流体是一种具有优秀导热性能和可控性的传热介质，但保证其稳定性是显示其优秀传热性的前提。本书以几种纳米流体作为研究对象，对其制备过程进行研究，试图解决稳定性差的问题。亦通过理论研究、对流传热系统实验与CFD仿真相互结合的方法研究磁纳米颗粒种类、体积分数、进口温度、流动状态以及磁场的变化对纳米流体热导率的影响。
本书的出版得到了青岛理工大学学术著作出版基金资助；同时也得到了中国博士后科学基金特别资助项目(2023T160392)、国家自然科学基金(51806114)、中国博士后科学基金(2020M682206)、山东省博士后创新项目的资助，在此表示诚挚的感谢。本书主要由张西龙、柳江、张永亮撰写；此外，本书的文字撰写、图表绘制、文献调研以及部分实验与仿真内容还离不开王玉顺老师和课题组研究生们的帮助，其中王玉顺老师在第6章的实验研究中付出了较多的努力，并完成了该章大部分内容的撰写；研究生李俊皓同学在第4章和第5章的研究中亦进行了大量的研究工作，并对本书中较多章节的文字撰写及分析提供了较多的数据和图像支撑；研究生房玉宝同学完成了第1章大部分内容的文献调研。
限于笔者的水平，书中难免有不当之处，恳请读者批评指正。

著者 

本书分析了纳米流体/磁纳米流体的制备、稳定性、传热及流动等物理和化学特性；探讨了纳米流体和磁纳米流体传热研究中所存在的多种不统一、不确定性问题；综合考虑超声波振荡、表面活性剂种类、配备方式、pH 值和物理搅拌方法五种影响因素，探究了磁性、非磁性纳米流体稳定性变化规律。通过理论分析、数值模拟和实验研究对不同条件下纳米流体对流传热特性变化规律及传热机理进行了研究。
本书分析了磁纳米流体传热性能受各因素的影响关系，可为能源、纳米材料、强化传热等领域的本科、研究生及相关科研人员提供参考。

第1章 纳米及磁纳米流体的物理和化学特性
1.1　纳米流体的研究意义  2
1.2　纳米流体的属性及特点  3
1.2.1　纳米流体的制备方法  3
1.2.2　纳米流体的传热特性  5
1.2.3　纳米流体的流动特性  9
1.2.4　纳米流体的稳定性  11
1.3　磁纳米流体的特性  14
1.3.1　磁纳米颗粒的制备方法  14
1.3.2　磁纳米流体的物理性质  14
1.3.3　磁纳米流体的传热特性  16
1.3.4　磁纳米流体的应用  18
1.4　纳米流体传热传质理论基础  19
1.4.1　纳米流体中的传热  19
1.4.2　纳米流体中的传质  20
1.5　纳米流体的应用  21
1.5.1　制冷场合的应用  21
1.5.2　太阳能的应用  22
1.5.3　其他应用场合  23
1.6　小结  23

第2章 纳米及磁纳米流体传热研究中的不确定性问题
2.1　纳米流体传热问题研究中的困境  25
2.2　热物性参数的不一致性  27
2.2.1　不同参数对热导率的不稳定性及不精准性的影响  28
2.2.2　对黏度的不稳定性的影响  32
2.3　对流换热性能实验结果的不一致性  36
2.4　纳米颗粒聚集时的反常行为  40
2.5　传热机理研究的不一致性  41
2.5.1　理论模型预测  42
2.5.2　有效介质理论  43
2.5.3　布朗运动机制  46
2.5.4　团聚行为  47
2.5.5　液体层效应  49
2.5.6　神经网络预测模型  53
2.6　小结  54
　
第3章 磁纳米流体制备及稳定性分析
3.1　磁纳米流体制备及稳定性研究进展  56
3.2　磁纳米流体制备及稳定性测试  57
3.3　磁纳米流体稳定性研究  60
3.3.1　超声波振荡和表面活性剂的影响  60
3.3.2　表面活性剂种类及配比的影响  62
3.3.3　pH 值的影响  65
3.3.4　不同物理搅拌法的影响  68
3.4　小结  70
　
第4章 磁激励下磁纳米流体对流换热机理分析
4.1　传热模型研究进展  71
4.1.1　纳米流体热导率及黏度模型研究  71
4.1.2　纳米流体强化对流换热研究  74
4.2　物理、化学外部因素对热导率的影响  76
4.2.1　纳米颗粒大小、形状对热导率的影响  76
4.2.2　体积分数对热导率的影响  77
4.2.3　温度对热导率的影响  77
4.2.4　团聚度对热导率的影响  78
4.2.5　pH 值对热导率的影响  78
4.2.6　添加剂和稳定性对热导率的影响  78
4.2.7　磁场对热导率的影响  79
4.3　纳米流体的传热机制  80
4.3.1　传热静态机制  80
4.3.2　传热动态机制  82
4.3.3　其他预测模型  93
4.4　磁场作用下磁纳米颗粒相间作用及受力分析  97
4.5　磁场作用下磁纳米流体控制方程及传热机理定量分析  98
4.6　小结  104
　
第5章 管道中强制对流传热特性数值研究方法
5.1　数值模拟几何模型与计算方法验证  108
5.1.1　几何模型及边界条件  108
5.1.2　数值仿真理论  109
5.1.3　数据简化与处理  113
5.1.4　网格独立性验证  114
5.1.5　计算方法验证  115
5.2　无磁场时管道中强制对流换热传热数值研究  117
5.3　磁激励下管道中强制对流换热传热数值研究  122
5.3.1　磁场布置方式对传热特性的影响  122
5.3.2　垂直匀强磁场对传热特性的影响  126
5.3.3　垂直交变磁场对传热特性的影响  131
5.4　小结  140
　
第6章 管道中强制对流传热特性实验研究与分析
6.1　实验台架及实验过程  141
6.1.1　实验装置构成  141
6.1.2　实验步骤及注意事项  143
6.1.3　实验数据处理方法  144
6.1.4　实验系统不确定性分析  145
6.1.5　实验系统可靠性分析  146
6.2　无磁场时管道中强制对流换热传热实验研究  147
6.3　磁激励下管道中强制对流换热传热实验研究  149
6.3.1　磁场布置对传热特性的影响  150
6.3.2　垂直匀强磁场对传热特性的影响  152
6.3.3　垂直交变磁场对传热特性的影响  157
6.4　外磁场对纳米流体流动阻力的影响  164
6.5　数值模拟与实验研究数据对比分析  166
6.5.1　无磁场下数值模拟与实验数据对比  166
6.5.2　局部磁场下数值模拟与实验数据对比  167
6.5.3　匀强磁场下数值模拟与实验数据对比  168
6.5.4　交变磁场下数值模拟与实验数据对比  169
6.5.5　实验数据与数值模拟数据误差分析  171
6.6　小结  172
　
第7章 磁纳米流体多孔介质特性及颗粒相间作用
7.1　磁纳米流体多孔介质视角特性及相间作用  173
7.1.1　磁纳米流体多孔介质特性  173
7.1.2　磁纳米流体三分区内部结构及分形特性  175
7.1.3　磁纳米流体多孔介质的基本参数  176
7.2　磁纳米流体多孔介质视角研究现状  180
7.3　磁纳米流体多孔介质传热及流动特性  182
7.4　多孔介质视角传热及流动特性研究方向  184
7.5　小结  186
　
参考文献