9、纳米流体热诱导流动数值研究与磨料流加工工艺综述

纳米流体热诱导流动数值研究与磨料流加工工艺综述

1. 纳米流体热诱导流动研究背景

在热交换设备的发展进程中，提高流体的传热速率一直是研究人员关注的重点。早在 1873 年，就有人提出在基础流体中添加固体超细颗粒来增加热导率，但由于颗粒尺寸较大（毫米或微米级），导致压力损失、堵塞和磨损等问题，使得这种混合物并不适用于传热应用。直到 1995 年，美国阿贡国家实验室的 Choi 将纳米级颗粒分散在传统流体中，开发出了创新的纳米流体。实验研究表明，向基础流体中添加少量固体纳米颗粒可以提高其热导率，纳米流体凭借较高的热导率和较小的颗粒尺寸，在传热应用中极具吸引力。

不过，目前关于纳米流体的实验和数值研究存在一些问题。不同研究者采用不同的方法对纳米流体的传热特性进行研究，得到的结果存在不一致性。例如，Pak 和 Cho 发现纳米颗粒浓度增加会使努塞尔数提高；而 Putra 等人则报告了随着纳米颗粒体积浓度增加，传热会减少。这些矛盾结果的产生主要是由于采用了不同的热物理性质公式。

为了深入探究这些问题，本文对高长径比（300）垂直环空中水基氧化铝纳米流体的自然对流换热进行了数值研究，分析了不同纳米颗粒体积分数下的传热情况，并详细讨论了采用 Brinkman 模型和 Buongiorno 关联式计算粘度时，传热结果的不确定性。

2. 垂直环空的数学建模

2.1 几何模型

垂直环空由两个同轴圆柱体组成，内环壁部分加热，外环壁绝热。环空分为下部绝热区和上部加热区，内环和外环直径分别为 45mm 和 38mm，间隙为 3.5mm，总高度为 1048mm，长径比为 300。氧化铝 - 水纳米流体从底部进入，在垂直环空中向上流动，上部加