纳米流体在多孔介质中对流换热的研究进展

文章来源

Esfe M H , Bahiraei M , Hajbarati H , et al. A comprehensive review on convective heat transfer of nanofluids in porous media: Energy-related and thermohydraulic characteristics[J]. Applied Thermal Engineering, 2020:115487.

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全文导读

对流换热公式是许多工业设备中最重要的换热机制之一，它涵盖了与能源相关的主要课题。多孔介质具有较大的比表面积和强化的流动混合，可以在不同的应用场合增强对流换热。另一方面，含有纳米颗粒的悬浮液（即纳米流体）大大提高了液体的导热系数。因此，采用纳米流体和多孔材料可以显著提高各种热设备的性能。本文综述了纳米流体在多孔介质中对流换热的研究进展。在这方面，考虑了三种不同的对流换热过程，包括自然对流、强迫对流和混合对流机制。在许多几何形状中，在热系统中观察到一个最佳纳米颗粒浓度。在三种类型的对流换热中，努塞尔数随达西数的增加而增大。在自由对流和混合对流过程中，浮力的增加往往会降低传热速率。在自然对流中，Nusselt数与孔隙度成反比关系。在多孔介质中使用纳米流体的情况下，大多数的研究都是采用数值或解析的方法，在这方面的实验研究非常少。除了研究纳米流体在多孔介质中的行为外，还分别研究了各种流型模型和传热机理，这在公开文献中是缺失的。

图1  纳米流体的一些主要应用

结果讨论

1.Sheikholeslami等人。研究了氧化铝纳米颗粒在具有立方热障碍的可渗透立方介质中的磁输运。用LBM描述了渗透性、洛仑兹力和浮力对纳米颗粒输运的影响。结果表明，随着Hartmann数的增加，对流换热系数单位材料的导电状态更加强烈。此外，随着达西数的增加，热边界层变薄。图2说明了哈特曼数对空腔内等温线和速度场的影响。

图2 Hartmann数对（a）等温线（b）X方向速度（c）z方向速度的影响，当Ra=104，Da=100，ϕ = 0.04；左侧轮廓线（Ha=0），右侧轮廓线（Ha=60）

2.一些学者研究了在多孔材料中使用纳米流体时，纳米颗粒形状对自然对流特性的影响。Sheikholeslami和Seyednezhad研究了磁铁矿-乙二醇纳米流体在多孔介质中的自由对流和电流体动力流动。结果表明，血小板纳米颗粒的Nusselt数最高。此外，随着瑞利数、达西数和外加电压的增加，努塞尔数也随之增大。图3显示了在Ra=50和Rd=0.8时达西数对等温线和流线的影响

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图3 达西数对Ra=50和Rd=0.8等温线和流线的影响

3.庄和朱研究了对流换热系数计算非牛顿幂律纳米流体在非均质多孔外壳内的Marangoni浮力对流流动。结果表明，随着非均匀程度的增加，传热传质量逐渐减小。随着浮力的增大，表面张力对传热传质的影响变得很小。平均Nusselt数和Sherwood数随幂律指数的减小而增大。图4显示了浮力比对Ra=105时空腔中平面上等温线、等浓度线和流线等表面的影响。

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图4 浮力比对（a）等温线（b）等浓度线（c）Ra=105时中平面流线等温线的影响