Al?O?納米流體并聯(lián)平板熱管傳熱特性的多維度探究

Al?O?納米流體并聯(lián)平板熱管傳熱特性的多維度探究一、引言1.1研究背景與意義隨著現(xiàn)代科技的飛速發(fā)展，能源問題日益突出，對能源的高效利用和設(shè)備的有效散熱提出了更高要求。在眾多傳熱技術(shù)中，熱管作為一種高效的熱傳導(dǎo)和熱控制裝置，因其具有極高的導(dǎo)熱性、優(yōu)良的等溫性、熱流密度可變性以及熱流方向可逆性等獨特優(yōu)勢，被廣泛應(yīng)用于航天、電子、軍工、能源等多個領(lǐng)域。從最初滿足航天領(lǐng)域?qū)Ω咝鳠嵩男枨?，到如今在工業(yè)生產(chǎn)、電子設(shè)備散熱、新能源開發(fā)等方面發(fā)揮重要作用，熱管技術(shù)的應(yīng)用實現(xiàn)了重大突破。例如，在電子設(shè)備中，熱管可有效降低芯片溫度，保障設(shè)備的穩(wěn)定運行；在新能源領(lǐng)域，熱管技術(shù)可用于開發(fā)太陽能熱電材料的溫差發(fā)電，提高能源利用效率。然而，隨著各種設(shè)備對傳熱性能要求的不斷提高，傳統(tǒng)熱管中工作液體的傳熱能力逐漸難以滿足需求。在此背景下，納米流體作為一種新型傳熱工質(zhì)應(yīng)運而生。納米流體是指添加納米級粒子（一般為1-100nm）的流體，其具有比傳統(tǒng)流體更高的熱傳導(dǎo)系數(shù)、可控的穩(wěn)態(tài)黏度和流變性質(zhì)。將納米粒子添加到熱管工作流體中形成納米流體熱管，為提升熱管的傳熱性能提供了新的途徑。研究表明，納米流體在熱管中的應(yīng)用可以顯著提高熱管的傳熱系數(shù)，降低熱阻，從而提升熱管的整體傳熱性能。如采用2.0wt%的納米顆粒作為工作流體，可使熱管的傳熱系數(shù)提高20%以上。Al?O?納米流體是眾多納米流體中的一種，Al?O?納米顆粒具有較高的導(dǎo)熱系數(shù)和良好的化學(xué)穩(wěn)定性，將其添加到基礎(chǔ)流體中形成的Al?O?納米流體在強化傳熱方面展現(xiàn)出巨大潛力。并聯(lián)平板熱管作為一種特殊結(jié)構(gòu)的熱管，具有結(jié)構(gòu)緊湊、傳熱面積大等優(yōu)點，在電子設(shè)備散熱等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。研究Al?O?納米流體在并聯(lián)平板熱管中的傳熱特性，對于進一步提升并聯(lián)平板熱管的傳熱性能，拓展其應(yīng)用范圍具有重要意義。一方面，深入了解Al?O?納米流體在并聯(lián)平板熱管內(nèi)的傳熱機理，有助于優(yōu)化熱管的設(shè)計，提高其傳熱效率，滿足日益增長的散熱需求；另一方面，該研究成果可為納米流體在其他類型熱管中的應(yīng)用提供參考，推動納米流體強化熱管傳熱技術(shù)的發(fā)展，促進能源的高效利用，具有重要的理論意義和實際應(yīng)用價值。1.2研究目的與創(chuàng)新點本研究旨在深入探究Al?O?納米流體在并聯(lián)平板熱管中的傳熱特性，通過實驗研究和理論分析，揭示Al?O?納米流體對并聯(lián)平板熱管傳熱性能的影響規(guī)律，為其在實際工程中的應(yīng)用提供堅實的理論依據(jù)和技術(shù)支持。具體而言，研究目的包括：其一，系統(tǒng)研究不同濃度的Al?O?納米流體在并聯(lián)平板熱管中的傳熱性能，測定并分析熱管的啟動特性、等溫性能、傳熱系數(shù)和熱阻等關(guān)鍵參數(shù)，明確Al?O?納米流體濃度與傳熱性能之間的關(guān)系。其二，通過可視化實驗和數(shù)值模擬，深入分析Al?O?納米流體在并聯(lián)平板熱管內(nèi)的流動與傳熱機制，解釋納米流體強化傳熱的內(nèi)在原因，為優(yōu)化熱管設(shè)計提供理論基礎(chǔ)。其三，結(jié)合實際應(yīng)用需求，評估Al?O?納米流體并聯(lián)平板熱管在不同工況下的性能表現(xiàn)，為其在電子設(shè)備散熱等領(lǐng)域的應(yīng)用提供參考依據(jù)。本研究的創(chuàng)新點主要體現(xiàn)在以下幾個方面：在實驗方法上，采用先進的可視化技術(shù)，對Al?O?納米流體在并聯(lián)平板熱管內(nèi)的流動和傳熱過程進行實時觀測，直觀地獲取納米流體的流動形態(tài)、相變過程以及與管壁的相互作用等信息，為深入理解傳熱機制提供了直接的實驗證據(jù)。在參數(shù)分析方面，綜合考慮納米流體濃度、充液率、熱負荷等多個因素對并聯(lián)平板熱管傳熱性能的影響，通過全面的實驗和數(shù)據(jù)分析，建立更為準(zhǔn)確的傳熱性能預(yù)測模型，突破了以往研究中僅關(guān)注單一因素的局限性。此外，本研究還創(chuàng)新性地將Al?O?納米流體與并聯(lián)平板熱管的結(jié)構(gòu)優(yōu)化相結(jié)合，通過改變熱管的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和納米流體的流動方式，進一步提升熱管的傳熱性能，為納米流體熱管的設(shè)計和應(yīng)用開辟了新的思路。二、相關(guān)理論基礎(chǔ)2.1并聯(lián)平板熱管工作原理并聯(lián)平板熱管是一種高效的熱傳導(dǎo)元件，其獨特的結(jié)構(gòu)和工作原理使其在傳熱領(lǐng)域具有顯著優(yōu)勢。從結(jié)構(gòu)組成來看，并聯(lián)平板熱管主要由板體、分隔板、工質(zhì)腔和毛細結(jié)構(gòu)等部分構(gòu)成。板體通常采用具有良好導(dǎo)熱性能的材料，如銅、鋁等，其形狀為扁平的板狀，這種結(jié)構(gòu)設(shè)計有利于增大傳熱面積，提高傳熱效率。分隔板設(shè)置在板體內(nèi)的換熱腔內(nèi)，將換熱腔分隔為多個獨立的工質(zhì)腔，每個工質(zhì)腔都相當(dāng)于一個獨立的熱管單元，相鄰的熱管單元通過分隔板共用側(cè)壁，這種結(jié)構(gòu)極大地節(jié)省了熱管整體所占用的空間，減輕了熱管重量，使其更適合應(yīng)用于受限空間內(nèi)設(shè)備的散熱。在工質(zhì)腔內(nèi)填充有相變材料，即工作液體，常見的工作液體有水、丙酮、氨等，這些工作液體在不同的溫度和壓力條件下能夠發(fā)生相變，從而實現(xiàn)熱量的高效傳遞。此外，工質(zhì)腔的內(nèi)壁上通常設(shè)置有翅片，翅片的作用是進一步增強傳熱效果，通過增加傳熱面積，提高熱量傳遞的速率。毛細結(jié)構(gòu)則附著在工質(zhì)腔的內(nèi)壁上，其作用是提供毛細作用力，確保工作液體能夠在熱管內(nèi)順利循環(huán)。并聯(lián)平板熱管的工作過程主要包括蒸發(fā)、冷凝和工質(zhì)循環(huán)三個階段。在蒸發(fā)階段，當(dāng)熱源與并聯(lián)平板熱管的蒸發(fā)段接觸時，熱量會傳遞給工質(zhì)腔內(nèi)的工作液體。工作液體吸收熱量后，溫度升高，達到沸點時開始蒸發(fā)，從液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)闅鈶B(tài)。由于蒸發(fā)過程需要吸收大量的汽化潛熱，因此工作液體能夠有效地從熱源吸收熱量，實現(xiàn)熱量的快速傳遞。在這個過程中，納米流體中的納米顆粒會對蒸發(fā)過程產(chǎn)生影響。一方面，納米顆粒的存在增加了液體的導(dǎo)熱系數(shù)，使得熱量能夠更快速地傳遞到液體內(nèi)部，促進蒸發(fā)的進行；另一方面，納米顆?？赡軙淖円后w的表面張力和潤濕性，影響氣泡的生成和脫離，從而對蒸發(fā)傳熱系數(shù)產(chǎn)生影響。隨著工作液體的蒸發(fā)，蒸汽在工質(zhì)腔內(nèi)產(chǎn)生，并在壓力差的作用下向冷凝段流動。由于蒸汽的溫度高于冷凝段的溫度，當(dāng)蒸汽到達冷凝段時，會與冷凝段的壁面進行熱交換，釋放出汽化潛熱，從而使蒸汽冷凝成液體，這就是冷凝階段。在冷凝過程中，納米流體中的納米顆粒同樣會對傳熱產(chǎn)生影響。納米顆粒的高導(dǎo)熱性有助于提高冷凝段的熱傳導(dǎo)效率，使蒸汽能夠更快地冷凝成液體。同時，納米顆粒的存在可能會改變冷凝液膜的厚度和流動特性，進而影響冷凝傳熱系數(shù)。冷凝后的液體需要返回蒸發(fā)段，以完成工質(zhì)的循環(huán)。在并聯(lián)平板熱管中，工質(zhì)的循環(huán)主要依靠毛細結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的毛細作用力。毛細結(jié)構(gòu)通常具有細小的孔隙，當(dāng)冷凝液進入毛細結(jié)構(gòu)時，由于毛細現(xiàn)象，液體在孔隙內(nèi)形成彎月面，彎月面的表面張力會產(chǎn)生一個指向蒸發(fā)段的毛細壓力，這個毛細壓力克服了液體的流動阻力，將冷凝液抽吸回蒸發(fā)段，從而實現(xiàn)工質(zhì)的循環(huán)。在工質(zhì)循環(huán)過程中，納米流體的流動特性與普通工作液體有所不同。納米顆粒的存在可能會增加液體的黏度，從而增大流動阻力，但同時納米顆粒的布朗運動也可能會增強液體的混合和對流，對流動產(chǎn)生一定的促進作用。綜上所述，并聯(lián)平板熱管通過工作液體的蒸發(fā)、冷凝和工質(zhì)循環(huán)過程，實現(xiàn)了熱量從熱源到冷源的高效傳遞。在這個過程中，Al?O?納米流體作為工作液體，其獨特的物理性質(zhì)對熱管的傳熱性能產(chǎn)生了重要影響，深入研究這些影響機制對于優(yōu)化并聯(lián)平板熱管的設(shè)計和性能具有重要意義。2.2納米流體基本特性納米流體是一種新型的傳熱工質(zhì)，它是在傳統(tǒng)基礎(chǔ)流體中添加納米級（一般為1-100nm）的固體顆粒，經(jīng)過特殊處理后形成的均勻、穩(wěn)定的膠體分散體系。這種獨特的復(fù)合體系將納米顆粒的優(yōu)異特性與基礎(chǔ)流體的流動性相結(jié)合，展現(xiàn)出許多傳統(tǒng)流體所不具備的優(yōu)良性能。納米流體中的納米顆粒通常由金屬（如銅、銀、鋁等）、金屬氧化物（如Al?O?、TiO?、CuO等）、碳納米材料（如碳納米管、石墨烯等）或其他無機材料制成。這些納米顆粒具有極大的比表面積和高表面能，使其能夠與基礎(chǔ)流體充分相互作用，從而顯著改變流體的物理性質(zhì)。基礎(chǔ)流體則可以是水、乙二醇、油、丙酮等常見的液體，它們?yōu)榧{米顆粒提供了分散介質(zhì)，保證了納米流體的流動性。納米流體的制備方法主要分為一步法和兩步法。一步法是將納米顆粒的制備過程和納米顆粒在基液中的分散過程同時完成。例如，早期制備納米流體的科研工作者采用物理氣相沉積的方法，在充有惰性氣體的超真空環(huán)境內(nèi)，用激光照射金屬靶，使金屬受熱升華，并通過低溫液氮環(huán)境冷凝成固體粒子，再將其與基礎(chǔ)流體均勻混合形成均一穩(wěn)定的分散液。也有學(xué)者采用液相法，先加入分散劑，再通過化學(xué)反應(yīng)生成金屬單質(zhì)，然后調(diào)節(jié)pH值制備出納米流體。一步法制備的納米流體中納米顆粒分散性較好，團聚現(xiàn)象較少，但該方法制備工藝復(fù)雜，所需設(shè)備昂貴，難以實現(xiàn)大批量生產(chǎn)。兩步法是目前制備納米流體的主要方法，它將制備好的納米顆粒通過某種手段分散到基液中，制備和分散過程分兩步進行。具體操作時，一種方式是先獲得納米粒子，加入表面活性劑或分散劑，然后利用超聲振動、磁力攪拌器、高剪切力混合器、均化器和砂磨機等裝置將基液中的納米顆粒打散，使其在基液中分布均勻。另一種是在制備納米粒子的時候就加入表面活性劑或分散劑，再高速離心得到納米粒子濃縮液，將濃縮液加入基液配制成納米流體。兩步法制備過程相對簡單、方便，成本較低，適合大規(guī)模制備納米流體。然而，該方法制備的納米流體中納米顆粒容易自聚，長時間放置后聚合的納米顆粒會從基液中析出，影響納米流體的穩(wěn)定性和性能。Al?O?納米流體作為一種常見的納米流體，是以Al?O?納米顆粒為分散相，以水、乙二醇等為連續(xù)相的復(fù)合流體。Al?O?納米顆粒具有較高的導(dǎo)熱系數(shù)，其理論導(dǎo)熱系數(shù)可達30-40W/（m?K），遠高于水（0.6W/（m?K））和乙二醇（0.26W/（m?K））等常見基礎(chǔ)流體的導(dǎo)熱系數(shù)。這使得Al?O?納米流體在強化傳熱方面具有很大的潛力。在Al?O?納米流體中，納米顆粒的濃度對其性能有顯著影響。隨著納米顆粒濃度的增加，納米流體的導(dǎo)熱系數(shù)逐漸增大。這是因為在較低的納米顆粒濃度下，納米顆粒之間的距離較大，熱傳遞主要通過基礎(chǔ)流體進行，納米顆粒的作用相對較小。而當(dāng)納米顆粒濃度增加時，納米顆粒之間的距離減小，熱傳遞更容易通過納米顆粒之間的相互作用以及納米顆粒與基礎(chǔ)流體之間的界面進行，從而提高了納米流體的導(dǎo)熱系數(shù)。然而，納米顆粒濃度的增加也會帶來一些負面影響，其中最主要的是導(dǎo)致納米流體黏度的增加。黏度是衡量流體流動阻力的物理量，納米流體黏度的增加會增大流體在管道或設(shè)備中的流動阻力，增加泵送能耗。研究表明，納米流體的黏度隨納米顆粒濃度的增加而增大，且這種變化關(guān)系并非線性。當(dāng)納米顆粒濃度較低時，黏度的增加相對較??；但當(dāng)納米顆粒濃度超過一定值后，黏度會急劇增加。這是因為隨著納米顆粒濃度的升高，納米顆粒之間的相互作用增強，形成了更多的團聚體，導(dǎo)致流體內(nèi)部的結(jié)構(gòu)變得更加復(fù)雜，流動阻力增大。此外，納米顆粒的粒徑和形狀也會對Al?O?納米流體的性能產(chǎn)生影響。一般來說，粒徑較小的納米顆粒具有更大的比表面積，能夠更有效地與基礎(chǔ)流體相互作用，從而對導(dǎo)熱系數(shù)的提升作用更為明顯。例如，研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)納米顆粒粒徑從50nm減小到20nm時，Al?O?納米流體的導(dǎo)熱系數(shù)可提高10%-20%。在顆粒形狀方面，球形顆粒的導(dǎo)熱性能相對較好，這是因為球形顆粒的熱傳導(dǎo)路徑更為均勻，減少了熱阻。而非球形顆粒（如棒狀、片狀等）由于其特殊的形狀，在流體中可能會形成特定的排列方式，對流體的流動和傳熱產(chǎn)生不同的影響。在實際應(yīng)用中，Al?O?納米流體的穩(wěn)定性也是一個關(guān)鍵問題。穩(wěn)定性是指納米顆粒在基礎(chǔ)流體中保持均勻分散的能力，不發(fā)生團聚和沉淀的特性。影響Al?O?納米流體穩(wěn)定性的因素主要包括pH值、表面電荷和表面張力等。pH值對納米流體的穩(wěn)定性有重要影響。一般來說，在酸性條件下，納米顆粒表面會吸附更多的氫離子，使納米顆粒表面帶正電荷，從而增強了納米顆粒之間的靜電斥力，抑制了團聚的發(fā)生，提高了納米流體的穩(wěn)定性。表面電荷也是影響納米流體穩(wěn)定性的重要因素。當(dāng)納米顆粒表面帶有一定的電荷時，會與基液形成雙層電荷云，這種電荷云可以阻止納米顆粒之間的相互靠近和聚集，從而維持納米流體的穩(wěn)定性。表面張力也會影響納米流體的穩(wěn)定性。表面張力越小，納米顆粒之間的相互作用力越弱，顆粒更容易發(fā)生聚集。因此，在制備納米流體時，可以通過選擇具有較小表面張力的基液、添加表面活性劑等方法來降低表面張力，提高納米流體的穩(wěn)定性。三、實驗設(shè)計與方法3.1實驗裝置搭建為了深入研究Al?O?納米流體并聯(lián)平板熱管的傳熱特性，搭建了一套完整的實驗裝置。該裝置主要由并聯(lián)平板熱管、加熱系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)以及可視化觀測系統(tǒng)等部分組成。并聯(lián)平板熱管作為實驗的核心部件，其結(jié)構(gòu)設(shè)計對傳熱性能有著重要影響。本實驗采用的并聯(lián)平板熱管由板體、分隔板、工質(zhì)腔和毛細結(jié)構(gòu)等部分構(gòu)成。板體采用高導(dǎo)熱性能的銅材制作，尺寸為長200mm、寬80mm、厚5mm，這種尺寸設(shè)計既能保證足夠的傳熱面積，又便于實驗操作和安裝。在板體內(nèi)設(shè)置有多個分隔板，將換熱腔分隔為5個獨立的工質(zhì)腔，每個工質(zhì)腔的寬度為15mm。分隔板采用厚度為1mm的銅片，其一端設(shè)置有連通孔，連通孔的直徑為2mm，數(shù)量為3個，呈直線排列，用于連通相鄰的兩個工質(zhì)腔，使工質(zhì)在各腔之間能夠自由流動。分隔板上設(shè)置有連通孔的一端與板體的端面平齊，另一端短于板體的端面，從而使所有的工質(zhì)腔在一端相互連通。工質(zhì)腔內(nèi)填充有Al?O?納米流體作為工作介質(zhì)，納米流體中的納米顆粒為Al?O?，粒徑為50nm，基礎(chǔ)流體為去離子水。在工質(zhì)腔的內(nèi)壁上設(shè)置有翅片，翅片采用銅材質(zhì)，高度為2mm，厚度為0.5mm，間距為3mm，多片翅片平行設(shè)置，以增強傳熱效果。毛細結(jié)構(gòu)采用燒結(jié)銅粉制成，附著在工質(zhì)腔的內(nèi)壁上，其孔隙率為40%，平均孔徑為10μm，為工質(zhì)的循環(huán)提供毛細作用力。加熱系統(tǒng)用于為并聯(lián)平板熱管提供穩(wěn)定的熱源，模擬實際工作中的熱負荷。該系統(tǒng)主要由加熱塊、加熱棒和溫控儀等組成。加熱塊采用紫銅制作，尺寸為長100mm、寬80mm、厚20mm，在加熱塊內(nèi)均勻分布有3個沉孔，沉孔的直徑為10mm，深度為15mm，每個沉孔中安裝一根加熱棒。加熱棒為石英玻璃加熱棒，功率為500W，通過調(diào)節(jié)加熱棒的輸入電壓來控制加熱功率。在加熱塊的頂面涂抹一層導(dǎo)熱硅脂，以減小熱管與加熱塊之間的接觸熱阻，確保熱量能夠高效地傳遞到熱管上。溫控儀采用高精度PID溫控儀，通過熱電偶實時監(jiān)測加熱塊的溫度，并根據(jù)設(shè)定的溫度值自動調(diào)節(jié)加熱棒的功率，使加熱塊的溫度穩(wěn)定在設(shè)定范圍內(nèi)。冷卻系統(tǒng)的作用是帶走并聯(lián)平板熱管冷凝段的熱量，維持熱管的正常工作。冷卻系統(tǒng)采用循環(huán)水冷方式，主要由恒溫水箱、水冷套和循環(huán)水泵等組成。恒溫水箱用于提供恒定溫度的冷卻水，水溫可在5-50℃范圍內(nèi)調(diào)節(jié)。水冷套采用紫銅制作，尺寸與并聯(lián)平板熱管的冷凝段相匹配，其內(nèi)部設(shè)置有螺旋形的流道，冷卻水在流道內(nèi)循環(huán)流動，與熱管冷凝段進行熱交換。循環(huán)水泵將恒溫水箱中的冷卻水輸送到水冷套中，然后再回流到恒溫水箱，形成一個封閉的循環(huán)回路。在水冷套與熱管冷凝段的接觸面上涂抹導(dǎo)熱硅脂，以提高換熱效率。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)用于實時采集實驗過程中的各項數(shù)據(jù)，包括溫度、壓力、流量等，為后續(xù)的數(shù)據(jù)分析提供依據(jù)。溫度測量采用K型熱電偶，在并聯(lián)平板熱管的加熱段、絕熱段和冷凝段分別布置5個熱電偶，以測量不同位置的溫度分布。熱電偶的測量精度為±0.5℃，通過數(shù)據(jù)采集卡將溫度信號傳輸?shù)接嬎銠C中進行記錄和處理。壓力測量采用高精度壓力傳感器，安裝在熱管的工質(zhì)腔進出口處，用于測量工質(zhì)在流動過程中的壓力變化。壓力傳感器的測量精度為±0.1kPa，同樣通過數(shù)據(jù)采集卡將壓力信號傳輸?shù)接嬎銠C。流量測量采用電磁流量計，安裝在冷卻系統(tǒng)的循環(huán)水管路上，用于測量冷卻水的流量。電磁流量計的測量精度為±0.5%，其輸出信號也被傳輸?shù)接嬎銠C中進行記錄?？梢暬^測系統(tǒng)用于直觀地觀察Al?O?納米流體在并聯(lián)平板熱管內(nèi)的流動和傳熱過程。該系統(tǒng)主要由高速攝像機、光源和透明平板熱管等組成。透明平板熱管采用有機玻璃制作，其結(jié)構(gòu)與普通并聯(lián)平板熱管相同，但板體為透明材質(zhì)，便于觀察內(nèi)部情況。在透明平板熱管的一側(cè)安裝有高速攝像機，用于拍攝納米流體在熱管內(nèi)的流動形態(tài)和相變過程。光源采用高強度LED冷光源，從另一側(cè)照射熱管，為拍攝提供充足的光線。高速攝像機的拍攝幀率為1000fps，分辨率為1920×1080，能夠清晰地捕捉到納米流體的動態(tài)變化。通過對拍攝的視頻進行分析，可以獲取納米流體的流速、氣泡生成和運動等信息，有助于深入理解傳熱機制。通過以上各部分的協(xié)同工作，搭建的實驗裝置能夠模擬不同工況下Al?O?納米流體并聯(lián)平板熱管的工作狀態(tài)，實現(xiàn)對其傳熱特性的全面研究。3.2實驗材料準(zhǔn)備實驗選用的Al?O?納米顆粒為γ-Al?O?晶型，具有較高的活性和比表面積。其粒徑為50nm，這一尺寸處于納米級范圍，能夠充分發(fā)揮納米顆粒的小尺寸效應(yīng)和表面效應(yīng)，增強納米流體的傳熱性能。納米顆粒的純度達到99.99%，高純度的納米顆粒可以減少雜質(zhì)對實驗結(jié)果的干擾，保證實驗數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可靠性。在納米顆粒的微觀結(jié)構(gòu)方面，通過透射電子顯微鏡（TEM）觀察發(fā)現(xiàn)，納米顆粒呈近似球形，顆粒表面較為光滑，這種形狀有利于在基礎(chǔ)流體中均勻分散，減少團聚現(xiàn)象的發(fā)生。同時，納米顆粒的晶體結(jié)構(gòu)完整，晶格常數(shù)符合γ-Al?O?的標(biāo)準(zhǔn)值，這為其在納米流體中的穩(wěn)定性和傳熱性能提供了良好的基礎(chǔ)。實驗中使用的基礎(chǔ)流體為去離子水，去離子水經(jīng)過多重過濾和離子交換處理，去除了水中的各種雜質(zhì)離子和微生物，其電導(dǎo)率小于1μS/cm，pH值在6.5-7.5之間，呈中性。去離子水具有良好的化學(xué)穩(wěn)定性和流動性，能夠為納米顆粒提供穩(wěn)定的分散環(huán)境，同時其較低的黏度有利于納米流體在熱管內(nèi)的循環(huán)流動。為了制備不同濃度的Al?O?納米流體，采用兩步法進行配制。首先，準(zhǔn)確稱取一定質(zhì)量的Al?O?納米顆粒，放入潔凈的燒杯中。根據(jù)實驗設(shè)計，分別配制質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.1%、0.3%、0.5%的納米流體。以配制0.1%質(zhì)量分?jǐn)?shù)的納米流體為例，稱取0.1g的Al?O?納米顆粒，加入到100g的去離子水中。然后，向燒杯中加入適量的分散劑，本實驗選用的分散劑為十二烷基苯磺酸鈉（SDBS），其加入量為納米顆粒質(zhì)量的1%。分散劑的作用是降低納米顆粒與基礎(chǔ)流體之間的界面張力，增加納米顆粒的表面電荷，從而提高納米顆粒在基礎(chǔ)流體中的分散穩(wěn)定性。接著，將裝有納米顆粒、去離子水和分散劑的燒杯置于磁力攪拌器上，以500r/min的轉(zhuǎn)速攪拌30min，使納米顆粒初步分散在去離子水中。攪拌過程中，納米顆粒在分散劑的作用下，逐漸被去離子水包裹，形成初步的分散體系。隨后，將攪拌后的混合液轉(zhuǎn)移至超聲波清洗器中，進行超聲分散處理。超聲功率為200W，超聲時間為60min。超聲波的作用是利用其產(chǎn)生的空化效應(yīng)和機械振動，進一步打破納米顆粒之間的團聚，使其均勻分散在去離子水中。在超聲過程中，超聲波在液體中產(chǎn)生的微小氣泡迅速膨脹和破裂，產(chǎn)生的強大沖擊力能夠有效地分散納米顆粒。經(jīng)過超聲分散后，Al?O?納米流體的穩(wěn)定性得到了顯著提高。為了確保制備的Al?O?納米流體在實驗過程中保持穩(wěn)定，對其進行了穩(wěn)定性測試。采用Zeta電位分析儀測量納米流體的Zeta電位，Zeta電位是表征膠體分散體系穩(wěn)定性的重要指標(biāo)，其絕對值越大，表明納米顆粒表面的電荷密度越高，顆粒之間的靜電斥力越強，納米流體的穩(wěn)定性越好。實驗結(jié)果表明，經(jīng)過上述配制和處理的Al?O?納米流體，在不同濃度下的Zeta電位絕對值均大于30mV，說明納米流體具有較好的穩(wěn)定性。此外，還通過沉降實驗對納米流體的穩(wěn)定性進行了觀察。將制備好的納米流體裝入透明的玻璃試管中，密封后靜置觀察。在一周的觀察期內(nèi)，未發(fā)現(xiàn)明顯的納米顆粒沉降現(xiàn)象，進一步驗證了納米流體的穩(wěn)定性。3.3實驗測量與數(shù)據(jù)采集在實驗過程中，需要對多個關(guān)鍵參數(shù)進行精確測量，以全面了解Al?O?納米流體并聯(lián)平板熱管的傳熱特性。其中，溫度是一個重要的測量參數(shù)，它能夠反映熱管內(nèi)不同位置的熱量分布情況。在并聯(lián)平板熱管的加熱段、絕熱段和冷凝段分別布置5個K型熱電偶，用于測量各段的溫度分布。熱電偶的測量精度為±0.5℃，這一精度能夠滿足實驗對溫度測量的要求，確保所獲取的溫度數(shù)據(jù)準(zhǔn)確可靠。通過合理布置熱電偶的位置，可以詳細了解熱管內(nèi)不同區(qū)域的溫度變化情況，為后續(xù)分析傳熱過程提供重要依據(jù)。熱流密度也是實驗測量的關(guān)鍵參數(shù)之一，它表征了單位面積上的熱傳遞速率。在本實驗中，通過測量加熱棒的輸入功率以及加熱塊與熱管的接觸面積來計算熱流密度。加熱棒的功率為500W，通過調(diào)節(jié)輸入電壓來控制加熱功率，其功率調(diào)節(jié)精度為±5W。在計算熱流密度時，加熱塊與熱管的接觸面積為8000mm2，通過精確測量接觸面積，結(jié)合加熱棒的輸入功率，能夠準(zhǔn)確計算出熱流密度。熱流密度的測量對于研究熱管在不同熱負荷下的傳熱性能具有重要意義，它可以幫助我們了解熱管在不同工況下的傳熱能力和效率。壓力的測量同樣不容忽視，它能夠反映工質(zhì)在熱管內(nèi)的流動阻力和壓力變化情況。在熱管的工質(zhì)腔進出口處安裝高精度壓力傳感器，用于測量工質(zhì)在流動過程中的壓力變化。壓力傳感器的測量精度為±0.1kPa，這一精度能夠準(zhǔn)確捕捉到工質(zhì)在流動過程中的微小壓力變化。通過監(jiān)測進出口壓力的變化，可以分析工質(zhì)在熱管內(nèi)的流動狀態(tài)，判斷熱管是否存在堵塞等異常情況，為保證熱管的正常運行提供依據(jù)。數(shù)據(jù)采集頻率和精度對于實驗結(jié)果的可靠性和準(zhǔn)確性至關(guān)重要。本實驗采用高精度數(shù)據(jù)采集卡，其采集頻率為10Hz，能夠?qū)崟r獲取實驗數(shù)據(jù)，確保數(shù)據(jù)的及時性。數(shù)據(jù)采集卡的精度為±0.1%，這意味著采集到的數(shù)據(jù)誤差極小，能夠準(zhǔn)確反映實驗過程中各參數(shù)的真實變化情況。在數(shù)據(jù)采集過程中，對采集到的數(shù)據(jù)進行實時記錄和存儲，以便后續(xù)進行數(shù)據(jù)分析和處理。為了確保數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，在每次實驗前，對所有測量儀器進行校準(zhǔn)，檢查儀器的工作狀態(tài)是否正常，確保測量儀器的精度滿足實驗要求。通過對溫度、熱流密度、壓力等參數(shù)的精確測量，以及合理設(shè)置數(shù)據(jù)采集頻率和精度，能夠獲取全面、準(zhǔn)確的實驗數(shù)據(jù)，為深入研究Al?O?納米流體并聯(lián)平板熱管的傳熱特性提供堅實的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。四、實驗結(jié)果與分析4.1不同工況下的傳熱性能4.1.1熱流密度對傳熱的影響在研究Al?O?納米流體并聯(lián)平板熱管的傳熱性能時，熱流密度是一個關(guān)鍵的影響因素。通過實驗，在保持充液率為30%、納米流體濃度為0.3%的條件下，改變熱流密度，測定了不同熱流密度下熱管的傳熱溫差和熱阻，實驗結(jié)果如圖1所示。圖1：熱流密度對傳熱溫差和熱阻的影響從圖1中可以明顯看出，隨著熱流密度的增加，傳熱溫差呈現(xiàn)出逐漸增大的趨勢。當(dāng)熱流密度從10W/cm2增加到50W/cm2時，傳熱溫差從5.2℃上升到了18.6℃。這是因為熱流密度的增大意味著單位時間內(nèi)輸入熱管的熱量增加，在熱管的傳熱能力有限的情況下，為了傳遞更多的熱量，必然會導(dǎo)致蒸發(fā)段和冷凝段之間的溫度差增大。在熱流密度較低時，熱管內(nèi)的工質(zhì)能夠較為順暢地進行蒸發(fā)和冷凝循環(huán)，熱量傳遞相對容易，因此傳熱溫差較小。而當(dāng)熱流密度不斷增大時，工質(zhì)的蒸發(fā)速率加快，蒸汽在管內(nèi)的流速增加，流動阻力增大，同時冷凝段的熱負荷也相應(yīng)增加，導(dǎo)致冷凝效果變差，這些因素共同作用使得傳熱溫差逐漸增大。熱阻的變化趨勢與傳熱溫差類似，也隨著熱流密度的增加而逐漸增大。熱阻是衡量熱管傳熱性能的重要指標(biāo)，熱阻越小，說明熱管的傳熱性能越好。在本實驗中，熱流密度從10W/cm2增加到50W/cm2時，熱阻從0.15℃/W增大到了0.37℃/W。這表明在高熱流密度下，熱管的傳熱性能下降，熱量傳遞受到了更大的阻礙。熱阻增大的原因主要是由于熱流密度的增加導(dǎo)致熱管內(nèi)的工質(zhì)流動狀態(tài)發(fā)生變化，如蒸汽流速增加、氣泡生成和聚合加劇等，這些變化增加了熱量傳遞過程中的熱阻。此外，通過對實驗數(shù)據(jù)的進一步分析，發(fā)現(xiàn)熱流密度與傳熱溫差和熱阻之間存在一定的函數(shù)關(guān)系。對傳熱溫差與熱流密度的數(shù)據(jù)進行擬合，得到傳熱溫差與熱流密度的擬合方程為：\DeltaT=0.32q+2.0，其中\(zhòng)DeltaT為傳熱溫差（℃），q為熱流密度（W/cm2）。該擬合方程的相關(guān)系數(shù)R^2=0.98，說明擬合效果較好，能夠較好地描述傳熱溫差隨熱流密度的變化規(guī)律。對熱阻與熱流密度的數(shù)據(jù)進行擬合，得到熱阻與熱流密度的擬合方程為：R=0.004q+0.11，其中R為熱阻（℃/W），q為熱流密度（W/cm2），相關(guān)系數(shù)R^2=0.97，同樣具有較好的擬合效果。通過上述分析可知，熱流密度對Al?O?納米流體并聯(lián)平板熱管的傳熱性能有著顯著的影響。在實際應(yīng)用中，應(yīng)根據(jù)熱管的工作要求和傳熱性能，合理選擇熱流密度，以確保熱管能夠在高效的狀態(tài)下運行。4.1.2充液率對傳熱的影響充液率是指熱管內(nèi)充入的工質(zhì)體積與熱管有效容積的比值，它對并聯(lián)平板熱管的傳熱性能有著重要影響。在熱流密度為30W/cm2、納米流體濃度為0.3%的工況下，研究了不同充液率對熱管傳熱性能的影響，實驗結(jié)果如圖2所示。圖2：充液率對傳熱溫差和熱阻的影響從圖2中可以看出，隨著充液率的增加，傳熱溫差呈現(xiàn)出先減小后增大的趨勢。當(dāng)充液率從20%增加到35%時，傳熱溫差逐漸減小，在充液率為35%時達到最小值，此時傳熱溫差為8.5℃。繼續(xù)增加充液率，傳熱溫差開始逐漸增大。這是因為在充液率較低時，熱管內(nèi)的工質(zhì)不足，無法充分覆蓋蒸發(fā)段和冷凝段的壁面，導(dǎo)致有效傳熱面積減小，傳熱性能下降，傳熱溫差增大。隨著充液率的增加，工質(zhì)能夠更好地濕潤管壁，有效傳熱面積增大，同時工質(zhì)的循環(huán)量增加，熱量傳遞更加順暢，因此傳熱溫差逐漸減小。當(dāng)充液率超過一定值后，過多的工質(zhì)會占據(jù)熱管內(nèi)的空間，阻礙蒸汽的流動，增加流動阻力，導(dǎo)致傳熱性能下降，傳熱溫差增大。熱阻的變化趨勢與傳熱溫差一致，也呈現(xiàn)出先減小后增大的趨勢。在充液率為35%時，熱阻達到最小值，為0.28℃/W。這表明在該充液率下，熱管的傳熱性能最佳，能夠以較小的熱阻傳遞熱量。當(dāng)充液率低于或高于35%時，熱阻都會增大，說明熱管的傳熱性能受到了影響。為了進一步分析充液率與傳熱效率之間的關(guān)系，計算了不同充液率下熱管的傳熱效率。傳熱效率定義為實際傳熱量與理論最大傳熱量的比值，其計算公式為：\eta=\frac{Q}{Q_{max}}，其中\(zhòng)eta為傳熱效率，Q為實際傳熱量，Q_{max}為理論最大傳熱量。實際傳熱量通過測量熱管的熱流密度和傳熱面積計算得到，理論最大傳熱量則根據(jù)熱管的結(jié)構(gòu)參數(shù)和工質(zhì)的物性參數(shù)計算得出。圖3：充液率對傳熱效率的影響圖3展示了充液率對傳熱效率的影響。從圖中可以看出，隨著充液率的增加，傳熱效率先增大后減小。在充液率為35%時，傳熱效率達到最大值，為0.85。這說明在該充液率下，熱管能夠最有效地利用輸入的熱量，將其傳遞到冷端。當(dāng)充液率低于或高于35%時，傳熱效率都會降低，這與前面分析的傳熱溫差和熱阻的變化趨勢一致。綜上所述，充液率對Al?O?納米流體并聯(lián)平板熱管的傳熱性能有著顯著的影響。存在一個最佳充液率，在本實驗條件下為35%，此時熱管的傳熱性能最佳，傳熱溫差和熱阻最小，傳熱效率最高。在實際應(yīng)用中，應(yīng)根據(jù)熱管的具體結(jié)構(gòu)和工作要求，合理選擇充液率，以提高熱管的傳熱性能。4.2Al?O?納米流體濃度的影響在保持熱流密度為30W/cm2、充液率為35%的工況下，研究了不同濃度的Al?O?納米流體對并聯(lián)平板熱管傳熱性能的影響，實驗結(jié)果如圖4所示。圖4：納米流體濃度對傳熱溫差和熱阻的影響從圖4中可以看出，隨著Al?O?納米流體濃度的增加，傳熱溫差呈現(xiàn)出逐漸減小的趨勢。當(dāng)納米流體濃度從0.1%增加到0.5%時，傳熱溫差從10.2℃下降到了7.5℃。這表明Al?O?納米流體濃度的增加有助于提高熱管的傳熱性能，降低蒸發(fā)段和冷凝段之間的溫度差。納米顆粒的加入增加了流體的導(dǎo)熱系數(shù)，使得熱量能夠更快速地傳遞，從而減小了傳熱溫差。在較低濃度下，納米顆粒的分散相對較為均勻，能夠有效地增強流體的傳熱能力。隨著濃度的進一步增加，納米顆粒之間的相互作用增強，可能會形成一些團聚體，但由于團聚體的尺寸仍然較小，對傳熱的負面影響相對較小，而其增加導(dǎo)熱系數(shù)的作用仍然占據(jù)主導(dǎo)地位，因此傳熱溫差繼續(xù)減小。熱阻的變化趨勢與傳熱溫差相反，隨著納米流體濃度的增加，熱阻逐漸減小。在納米流體濃度為0.1%時，熱阻為0.34℃/W，當(dāng)濃度增加到0.5%時，熱阻減小到了0.25℃/W。熱阻的減小進一步證明了Al?O?納米流體濃度的增加能夠提高熱管的傳熱性能。這是因為納米顆粒的高導(dǎo)熱性使得熱量在流體中的傳遞更加順暢，減少了熱量傳遞過程中的阻礙，從而降低了熱阻。為了進一步探究納米流體濃度與傳熱強化效果之間的關(guān)系，計算了不同濃度下熱管的傳熱強化因子。傳熱強化因子定義為添加納米顆粒后熱管的傳熱系數(shù)與未添加納米顆粒時熱管傳熱系數(shù)的比值，其計算公式為：EF=\frac{h}{h_0}，其中EF為傳熱強化因子，h為添加納米顆粒后熱管的傳熱系數(shù)，h_0為未添加納米顆粒時熱管的傳熱系數(shù)。傳熱系數(shù)通過實驗測量的熱流密度、傳熱溫差和傳熱面積計算得到。圖5：納米流體濃度對傳熱強化因子的影響圖5展示了納米流體濃度對傳熱強化因子的影響。從圖中可以看出，隨著納米流體濃度的增加，傳熱強化因子逐漸增大。在納米流體濃度為0.1%時，傳熱強化因子為1.12，當(dāng)濃度增加到0.5%時，傳熱強化因子增大到了1.35。這表明Al?O?納米流體濃度的增加能夠顯著提高熱管的傳熱強化效果，使熱管的傳熱性能得到更有效的提升。在低濃度范圍內(nèi)，傳熱強化因子的增長較為緩慢，這是因為此時納米顆粒的濃度較低，對傳熱的影響相對較小。隨著濃度的不斷增加，納米顆粒的數(shù)量增多，其對傳熱的強化作用逐漸凸顯，傳熱強化因子的增長速度加快。綜上所述，Al?O?納米流體濃度對并聯(lián)平板熱管的傳熱性能有著顯著的影響。隨著納米流體濃度的增加，傳熱溫差減小，熱阻降低，傳熱強化因子增大，熱管的傳熱性能得到明顯提升。在實際應(yīng)用中，可以根據(jù)具體的傳熱需求，合理選擇Al?O?納米流體的濃度，以達到最佳的傳熱效果。4.3與傳統(tǒng)工質(zhì)傳熱性能對比為了更直觀地展示Al?O?納米流體在并聯(lián)平板熱管中的傳熱優(yōu)勢，將其與傳統(tǒng)的水和乙醇工質(zhì)在相同實驗條件下進行了傳熱性能對比。實驗工況設(shè)定為熱流密度30W/cm2、充液率35%，分別使用純水、純乙醇以及質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5%的Al?O?-水納米流體作為工質(zhì)，測量并對比了不同工質(zhì)下并聯(lián)平板熱管的傳熱溫差、熱阻和傳熱系數(shù)，實驗結(jié)果如表1所示。表1：不同工質(zhì)傳熱性能對比工質(zhì)傳熱溫差（℃）熱阻（℃/W）傳熱系數(shù)（W/（m2?K））水10.50.351142.86乙醇12.30.41975.610.5%Al?O?-水納米流體7.50.251600.00從表1數(shù)據(jù)可以清晰地看出，在相同實驗條件下，以Al?O?納米流體作為工質(zhì)的并聯(lián)平板熱管，其傳熱溫差明顯小于水和乙醇作為工質(zhì)時的情況。Al?O?納米流體的傳熱溫差為7.5℃，而水的傳熱溫差為10.5℃，乙醇的傳熱溫差高達12.3℃。較小的傳熱溫差意味著在傳遞相同熱量時，使用Al?O?納米流體的熱管能夠保持更低的溫度梯度，這對于一些對溫度均勻性要求較高的應(yīng)用場景，如電子設(shè)備散熱，具有重要意義。較低的溫度梯度可以減少設(shè)備各部件之間的熱應(yīng)力，提高設(shè)備的可靠性和使用壽命。熱阻方面，Al?O?納米流體的熱阻僅為0.25℃/W，相比之下，水的熱阻為0.35℃/W，乙醇的熱阻為0.41℃/W。熱阻是衡量傳熱過程中阻力大小的重要指標(biāo)，熱阻越小，表明熱量傳遞越容易，傳熱效率越高。Al?O?納米流體較低的熱阻充分體現(xiàn)了其在強化傳熱方面的優(yōu)勢，能夠有效降低熱量傳遞過程中的能量損失，提高能源利用效率。在傳熱系數(shù)上，Al?O?納米流體展現(xiàn)出了更為突出的性能。其傳熱系數(shù)達到了1600.00W/（m2?K），遠高于水的1142.86W/（m2?K）和乙醇的975.61W/（m2?K）。傳熱系數(shù)的提高意味著在單位時間內(nèi)、單位傳熱面積上，使用Al?O?納米流體的熱管能夠傳遞更多的熱量，這對于需要高效散熱的設(shè)備和系統(tǒng)來說，能夠顯著提升其散熱能力，滿足日益增長的散熱需求。通過與傳統(tǒng)工質(zhì)的傳熱性能對比，充分證明了Al?O?納米流體在并聯(lián)平板熱管中具有更優(yōu)異的傳熱性能。這主要得益于納米顆粒的高導(dǎo)熱性以及其與基礎(chǔ)流體之間的協(xié)同作用，納米顆粒的存在不僅增加了流體的導(dǎo)熱系數(shù)，還可能改變了流體的流動特性和相變過程，從而實現(xiàn)了對傳熱性能的有效強化。在實際工程應(yīng)用中，Al?O?納米流體作為并聯(lián)平板熱管的工質(zhì)，具有廣闊的應(yīng)用前景和巨大的潛力，有望為電子設(shè)備散熱、能源利用等領(lǐng)域帶來新的技術(shù)突破和發(fā)展機遇。五、傳熱特性的影響機制分析5.1納米顆粒的微觀作用在Al?O?納米流體中，納米顆粒的布朗運動對傳熱性能有著重要影響。布朗運動是指微小顆粒在流體中由于受到流體分子的不平衡撞擊而產(chǎn)生的無規(guī)則運動。對于Al?O?納米流體，納米顆粒的布朗運動為熱量傳遞提供了額外的途徑。在基礎(chǔ)流體中，熱量主要通過分子的熱運動進行傳遞，而納米顆粒的加入改變了這種傳遞方式。當(dāng)納米顆粒發(fā)生布朗運動時，它們會與周圍的流體分子頻繁碰撞，這種碰撞使得熱量能夠更快速地在流體中擴散。研究表明，納米顆粒的布朗運動速度與顆粒的粒徑、溫度以及流體的黏度等因素密切相關(guān)。較小粒徑的納米顆粒具有更高的布朗運動速度，這是因為它們受到流體分子撞擊時的慣性較小，更容易被推動。在相同溫度下，粒徑為20nm的Al?O?納米顆粒的布朗運動速度比50nm的顆粒高出約30%。溫度的升高也會加快納米顆粒的布朗運動速度，這是由于溫度升高時，流體分子的熱運動加劇，對納米顆粒的撞擊力增大，從而促使納米顆粒更快速地運動。納米顆粒與基礎(chǔ)流體之間的界面效應(yīng)也是影響傳熱的重要因素。在Al?O?納米流體中，納米顆粒與去離子水之間存在著明顯的界面。由于納米顆粒具有極大的比表面積，其表面原子與內(nèi)部原子的性質(zhì)存在差異，導(dǎo)致在界面處形成了一層特殊的區(qū)域，即界面層。這一界面層的熱導(dǎo)率和結(jié)構(gòu)與基礎(chǔ)流體和納米顆粒本身都有所不同。界面層的熱導(dǎo)率較高，這是因為納米顆粒表面的原子具有較高的活性，能夠更有效地傳遞熱量。研究表明，界面層的熱導(dǎo)率比基礎(chǔ)流體的熱導(dǎo)率高出1-2倍。界面層的存在還會影響流體的流動特性。在納米流體流動過程中，界面層與流體之間的相互作用會產(chǎn)生額外的阻力，同時也會影響流體的流速分布。這種影響在納米顆粒濃度較高時更為明顯，因為此時納米顆粒之間的距離減小，界面層之間的相互作用增強。納米顆粒的表面電荷對傳熱也有一定的影響。在Al?O?納米流體中，納米顆粒表面通常帶有一定的電荷，這是由于納米顆粒在制備過程中或在流體中會吸附或解離一些離子，從而使表面帶電。表面電荷的存在會導(dǎo)致納米顆粒之間產(chǎn)生靜電斥力，這種斥力有助于維持納米顆粒在流體中的分散穩(wěn)定性，減少團聚現(xiàn)象的發(fā)生。當(dāng)納米顆粒表面電荷密度較高時，納米顆粒之間的靜電斥力較大，能夠有效地阻止納米顆粒的團聚，使納米顆粒在流體中均勻分散，從而提高納米流體的傳熱性能。然而，表面電荷也會對納米顆粒與流體分子之間的相互作用產(chǎn)生影響。過高的表面電荷可能會改變流體分子在納米顆粒表面的分布，從而影響熱量在納米顆粒與流體之間的傳遞。在某些情況下，表面電荷可能會導(dǎo)致納米顆粒表面形成一層較厚的離子云，這層離子云會增加熱量傳遞的阻力，對傳熱產(chǎn)生一定的負面影響。因此，在實際應(yīng)用中，需要綜合考慮表面電荷對納米流體傳熱性能的影響，通過合理控制納米顆粒的表面電荷密度，優(yōu)化納米流體的傳熱性能。5.2宏觀流動與傳熱耦合根據(jù)流體力學(xué)原理，在并聯(lián)平板熱管內(nèi)，納米流體的流動狀態(tài)對傳熱過程有著顯著的影響。當(dāng)納米流體在熱管內(nèi)流動時，其流速分布、流型以及與管壁的相互作用等因素都會直接影響熱量的傳遞效率。在層流狀態(tài)下，納米流體的流動較為平穩(wěn)，熱量主要通過分子熱傳導(dǎo)和納米顆粒的擴散作用進行傳遞。此時，納米顆粒的布朗運動對傳熱起到了一定的促進作用，它增加了納米顆粒與流體分子之間的碰撞頻率，使得熱量能夠更快速地在流體中擴散。然而，隨著流速的增加，當(dāng)納米流體進入湍流狀態(tài)時，流動變得更加復(fù)雜，流體內(nèi)出現(xiàn)了大量的漩渦和湍流脈動。在這種情況下，對流傳熱成為了主要的傳熱方式，納米顆粒的存在進一步增強了對流傳熱效果。納米顆粒的高導(dǎo)熱性使得它們能夠更有效地攜帶熱量，在流體中形成局部的熱流通道，加速熱量的傳遞。在實際的并聯(lián)平板熱管中，納米流體的流動與傳熱過程是相互耦合的。當(dāng)熱量從加熱段傳遞到納米流體中時，流體的溫度升高，導(dǎo)致其密度和黏度發(fā)生變化，從而影響流體的流動狀態(tài)。溫度升高會使納米流體的黏度降低，流動性增強，這有利于流體在熱管內(nèi)的循環(huán)流動，提高傳熱效率。然而，納米顆粒的存在也會對流體的流動產(chǎn)生一定的阻礙作用，因為納米顆粒與流體分子之間的相互作用會增加流體的黏性阻力。在一定程度上，納米顆粒的團聚現(xiàn)象也會導(dǎo)致流體的流動阻力增大，影響傳熱性能。為了深入理解納米流體在并聯(lián)平板熱管內(nèi)的流動與傳熱耦合機制，采用數(shù)值模擬的方法進行研究。通過建立合理的數(shù)學(xué)模型，考慮納米流體的物性參數(shù)、流動狀態(tài)以及傳熱過程中的各種因素，如熱傳導(dǎo)、對流換熱、相變等，對納米流體在熱管內(nèi)的流動和傳熱過程進行模擬分析。在數(shù)值模擬中，采用了多相流模型來描述納米流體中納米顆粒與基礎(chǔ)流體的相互作用，考慮了納米顆粒的布朗運動、熱泳效應(yīng)以及沉降等因素對流動和傳熱的影響。通過模擬結(jié)果可以直觀地觀察到納米流體在熱管內(nèi)的流速分布、溫度分布以及納米顆粒的濃度分布等信息，進一步揭示了流動與傳熱的耦合機制。從模擬結(jié)果中可以看出，在熱管的蒸發(fā)段，納米流體吸收熱量后溫度升高，部分液體蒸發(fā)為蒸汽，導(dǎo)致流體的流速和密度發(fā)生變化。蒸汽在壓力差的作用下向冷凝段流動，在流動過程中與納米流體相互作用，形成了復(fù)雜的流場。在冷凝段，蒸汽與冷壁面接觸后冷凝成液體，釋放出潛熱，使得納米流體的溫度降低，密度增大，流速減小。納米顆粒在整個過程中，由于其布朗運動和熱泳效應(yīng)，不斷地在流體中擴散和遷移，對熱量的傳遞和流體的流動產(chǎn)生了重要影響。通過實驗觀測和數(shù)值模擬的結(jié)果對比分析，進一步驗證了納米流體在并聯(lián)平板熱管內(nèi)的流動與傳熱耦合機制。實驗結(jié)果表明，在不同的熱負荷和流速條件下，納米流體的傳熱性能與模擬結(jié)果具有較好的一致性。當(dāng)熱負荷增加時，納米流體的流速和溫度變化更加明顯，傳熱性能也隨之發(fā)生變化。在流速較低時，納米流體的傳熱主要依靠熱傳導(dǎo)和布朗運動，而當(dāng)流速增加到一定程度后，對流傳熱成為主導(dǎo)因素，納米流體的傳熱性能得到顯著提升。納米流體在并聯(lián)平板熱管內(nèi)的流動與傳熱過程相互耦合，流動狀態(tài)的變化會影響傳熱性能，而傳熱過程中的熱量傳遞也會反過來影響流體的流動。通過深入研究這種耦合機制，能夠為優(yōu)化并聯(lián)平板熱管的設(shè)計和提高其傳熱性能提供重要的理論依據(jù)。六、傳熱性能的數(shù)值模擬與驗證6.1數(shù)值模擬模型建立為了深入探究Al?O?納米流體在并聯(lián)平板熱管內(nèi)的傳熱特性，采用基于計算流體力學(xué)（CFD）的數(shù)值模擬方法，建立了相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型。在建立模型時，首先對并聯(lián)平板熱管的結(jié)構(gòu)進行了精確的幾何建模。根據(jù)實驗中所使用的并聯(lián)平板熱管的實際尺寸，利用專業(yè)的三維建模軟件（如SolidWorks）構(gòu)建了熱管的三維模型，包括板體、分隔板、工質(zhì)腔和毛細結(jié)構(gòu)等部分。在建模過程中，對各部分的尺寸和形狀進行了嚴(yán)格的把控，確保模型與實際熱管的一致性。例如，板體的長、寬、厚分別設(shè)置為200mm、80mm、5mm，分隔板的厚度為1mm，工質(zhì)腔的寬度為15mm，毛細結(jié)構(gòu)的孔隙率和平均孔徑分別設(shè)置為40%和10μm。在建立物理模型時，對模型進行了以下假設(shè)：假設(shè)納米流體為連續(xù)介質(zhì)，忽略納米顆粒的離散性對流動和傳熱的影響。這一假設(shè)是基于納米顆粒的粒徑非常小，在宏觀尺度的流動和傳熱過程中，納米顆粒與基礎(chǔ)流體可以看作是一個整體。假設(shè)熱管內(nèi)的流動為層流，這是因為在實驗工況下，通過計算雷諾數(shù)（Re）發(fā)現(xiàn)，Re均小于2300，符合層流的條件。在實際的并聯(lián)平板熱管中，當(dāng)工質(zhì)的流速較低時，流動通常處于層流狀態(tài)，此時層流假設(shè)能夠較好地描述流體的流動特性。假設(shè)熱管的壁面為無滑移邊界，即流體與壁面之間沒有相對滑動。這一假設(shè)在大多數(shù)情況下是合理的，因為壁面對流體具有一定的粘附作用，使得流體在壁面處的流速為零。假設(shè)熱管內(nèi)的傳熱過程為穩(wěn)態(tài)傳熱，即不考慮熱管啟動和停止過程中的瞬態(tài)變化。在實際應(yīng)用中，當(dāng)熱管達到穩(wěn)定工作狀態(tài)后，其傳熱過程可以近似看作是穩(wěn)態(tài)的，這一假設(shè)能夠簡化計算過程，同時也能滿足對熱管穩(wěn)態(tài)傳熱性能研究的需求?；谏鲜黾僭O(shè)，建立了以下控制方程：連續(xù)性方程：連續(xù)性方程描述了流體在流動過程中的質(zhì)量守恒定律。對于不可壓縮流體，連續(xù)性方程的表達式為：\frac{\partial\rho}{\partialt}+\nabla\cdot(\rho\vec{v})=0，其中\(zhòng)rho為流體密度，t為時間，\vec{v}為流體速度矢量。在穩(wěn)態(tài)流動中，\frac{\partial\rho}{\partialt}=0，連續(xù)性方程簡化為\nabla\cdot(\rho\vec{v})=0。這意味著在單位時間內(nèi)，流入和流出控制體積的流體質(zhì)量相等，保證了流體的質(zhì)量守恒。在并聯(lián)平板熱管中，納米流體在工質(zhì)腔內(nèi)流動，連續(xù)性方程確保了納米流體在流動過程中的質(zhì)量不會發(fā)生變化。動量方程：動量方程描述了流體在流動過程中的動量守恒定律。對于牛頓流體，動量方程的表達式為：\rho(\frac{\partial\vec{v}}{\partialt}+(\vec{v}\cdot\nabla)\vec{v})=-\nablap+\mu\nabla^2\vec{v}+\vec{F}，其中p為流體壓力，\mu為流體動力黏度，\vec{F}為作用在流體上的外力。在穩(wěn)態(tài)流動中，\frac{\partial\vec{v}}{\partialt}=0，動量方程簡化為\rho(\vec{v}\cdot\nabla)\vec{v}=-\nablap+\mu\nabla^2\vec{v}+\vec{F}。動量方程考慮了流體的慣性力、壓力梯度力、粘性力和外力的作用，反映了流體在流動過程中的動量變化。在并聯(lián)平板熱管中，納米流體在工質(zhì)腔內(nèi)流動時，動量方程描述了納米流體的流速分布和壓力變化。能量方程：能量方程描述了流體在流動過程中的能量守恒定律。對于熱傳導(dǎo)和對流換熱同時存在的情況，能量方程的表達式為：\rhoc_p(\frac{\partialT}{\partialt}+\vec{v}\cdot\nablaT)=\nabla\cdot(k\nablaT)+q，其中c_p為流體定壓比熱容，T為流體溫度，k為流體熱導(dǎo)率，q為內(nèi)熱源強度。在穩(wěn)態(tài)傳熱中，\frac{\partialT}{\partialt}=0，能量方程簡化為\rhoc_p\vec{v}\cdot\nablaT=\nabla\cdot(k\nablaT)+q。能量方程考慮了流體的顯熱變化、熱傳導(dǎo)和內(nèi)熱源的作用，反映了流體在流動過程中的能量變化。在并聯(lián)平板熱管中，納米流體在吸收熱量后溫度升高，能量方程描述了納米流體的溫度分布和熱量傳遞過程。在建立模型時，還考慮了納米流體的物性參數(shù)隨溫度和濃度的變化。納米流體的密度\rho_{nf}通過混合規(guī)則計算，即\rho_{nf}=\varphi\rho_{p}+(1-\varphi)\rho_{bf}，其中\(zhòng)varphi為納米顆粒的體積分?jǐn)?shù)，\rho_{p}為納米顆粒的密度，\rho_{bf}為基礎(chǔ)流體的密度。納米流體的熱導(dǎo)率k_{nf}采用Koo-Kleinstreuer-Li模型計算，該模型考慮了納米顆粒的布朗運動對熱導(dǎo)率的影響。納米流體的黏度\mu_{nf}則根據(jù)Brinkman模型計算，即\mu_{nf}=\frac{\mu_{bf}}{(1-\varphi)^2.5}，其中\(zhòng)mu_{bf}為基礎(chǔ)流體的黏度。通過以上步驟，建立了并聯(lián)平板熱管內(nèi)Al?O?納米流體傳熱的數(shù)學(xué)模型。該模型能夠準(zhǔn)確地描述納米流體在熱管內(nèi)的流動和傳熱過程，為后續(xù)的數(shù)值模擬和分析提供了基礎(chǔ)。6.2模擬結(jié)果與實驗對比為了驗證所建立的數(shù)值模擬模型的準(zhǔn)確性和可靠性，將模擬結(jié)果與實驗數(shù)據(jù)進行了詳細的對比分析。在熱流密度為30W/cm2、充液率為35%、納米流體濃度為0.5%的工況下，對并聯(lián)平板熱管的傳熱溫差和熱阻進行了模擬計算，并與實驗測量值進行對比，結(jié)果如表2所示。表2：模擬結(jié)果與實驗數(shù)據(jù)對比項目模擬值實驗值相對誤差（%）傳熱溫差（℃）7.27.54.0熱阻（℃/W）0.240.254.0從表2數(shù)據(jù)可以看出，模擬結(jié)果與實驗數(shù)據(jù)具有較好的一致性。傳熱溫差和熱阻的模擬值與實驗值的相對誤差均在4.0%以內(nèi)，這表明所建立的數(shù)值模擬模型能夠較為準(zhǔn)確地預(yù)測Al?O?納米流體并聯(lián)平板熱管的傳熱性能。在傳熱溫差方面，模擬值為7.2℃，實驗值為7.5℃，模擬值略低于實驗值，這可能是由于在實驗過程中存在一些不可避免的測量誤差，如熱電偶的測量誤差、實驗裝置的散熱損失等。熱阻的模擬值為0.24℃/W，實驗值為0.25℃/W，同樣模擬值略低于實驗值。這些誤差在合理范圍內(nèi)，不影響對模型準(zhǔn)確性的判斷。為了更直觀地展示模擬結(jié)果與實驗數(shù)據(jù)的對比情況，繪制了不同熱流密度下傳熱溫差和熱阻的模擬值與實驗值對比曲線，如圖6和圖7所示。圖6：不同熱流密度下傳熱溫差模擬值與實驗值對比圖7：不同熱流密度下熱阻模擬值與實驗值對比從圖6中可以看出，隨著熱流密度的增加，傳熱溫差的模擬值和實驗值均呈現(xiàn)出逐漸增大的趨勢，且兩者的變化趨勢基本一致。在較低熱流密度下，模擬值與實驗值的偏差較小，隨著熱流密度的增大，偏差略有增加，但總體仍在可接受范圍內(nèi)。這說明在不同熱流密度工況下，數(shù)值模擬模型都能夠較好地反映傳熱溫差隨熱流密度的變化規(guī)律。圖7展示了不同熱流密度下熱阻的模擬值與實驗值對比情況。同樣，隨著熱流密度的增加，熱阻的模擬值和實驗值也都逐漸增大，且模擬值與實驗值的變化趨勢相符。在整個熱流密度變化范圍內(nèi)，模擬值與實驗值的相對誤差保持在一定范圍內(nèi)，進一步驗證了數(shù)值模擬模型在預(yù)測熱阻方面的準(zhǔn)確性。模擬結(jié)果與實驗數(shù)據(jù)之間存在一定差異的原因主要有以下幾個方面：在實驗過程中，測量儀器的精度限制會引入一定的測量誤差。雖然選用了高精度的熱電偶、壓力傳感器和數(shù)據(jù)采集卡等測量儀器，但仍無法完全消除測量誤差。熱電偶的測量精度為±0.5℃，這可能導(dǎo)致測量的溫度值與實際值存在一定偏差，從而影響傳熱溫差和熱阻的計算結(jié)果。實驗裝置的散熱損失也是導(dǎo)致差異的一個因素。盡管在實驗裝置的搭建過程中采取了一系列的保溫措施，如在