本文關(guān)鍵詞：磁重力補(bǔ)償下磁流體的自然對(duì)流與沸騰傳熱實(shí)驗(yàn)研究　出處：《上海大學(xué)》2015年碩士論文　論文類型：學(xué)位論文

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【摘要】：對(duì)流傳熱過程廣泛存在于冶金、石油、化工、動(dòng)力、電子、航空與航天、輕工和交通運(yùn)輸?shù)葒?guó)民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)工業(yè)中。深入研究對(duì)流傳熱過程的機(jī)理,不但能夠推動(dòng)傳熱學(xué)這一門基礎(chǔ)學(xué)科理論的不斷發(fā)展,而且能夠在實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)中指導(dǎo)各種熱量交換與傳輸設(shè)備的設(shè)計(jì),控制對(duì)流傳熱過程,從而經(jīng)濟(jì)高效地實(shí)現(xiàn)能源的合理利用。單相自然對(duì)流傳熱過程以及兩相沸騰傳熱過程是兩種典型的對(duì)流傳熱過程。地面常重力環(huán)境下,流體溫度差導(dǎo)致了密度差,從而激發(fā)浮力對(duì)流,浮力是自然對(duì)流的主要驅(qū)動(dòng)力。沸騰傳熱過程中,重力引起的浮力也是氣泡從加熱面上浮的驅(qū)動(dòng)力。隨著人類航天事業(yè)的發(fā)展,大型航天器在熱管理方面的性能需求日益增長(zhǎng),對(duì)低微重力下對(duì)流傳熱規(guī)律的研究也日益迫切。而在低微重力環(huán)境下,重力引起的浮力極大地減小,此時(shí)的對(duì)流傳熱規(guī)律與地面常重力下的必然不同。但由于種種原因,相關(guān)的研究一直不夠深入。為此,本文以“磁重力補(bǔ)償”作為一種全新的研究手段,借助磁性流體,實(shí)現(xiàn)了磁流體內(nèi)模擬的低微重力環(huán)境。隨后研究了磁重力補(bǔ)償下的磁流體自然對(duì)流傳熱規(guī)律以及磁重力補(bǔ)償下磁流體內(nèi)的氣泡動(dòng)力學(xué)及其沸騰傳熱規(guī)律。本文的第一部分,結(jié)合磁性流體及亥姆霍茲-麥克斯韋雙對(duì)線圈設(shè)計(jì)了一種全新的磁重力補(bǔ)償實(shí)施方法。通過數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)測(cè)量,對(duì)雙對(duì)線圈內(nèi)磁場(chǎng)分布及磁流體磁重力補(bǔ)償水平進(jìn)行了分析。通過有限元模擬軟件計(jì)算和對(duì)磁場(chǎng)大小及分布進(jìn)行測(cè)量發(fā)現(xiàn),雙對(duì)線圈中心磁場(chǎng)分布呈線性分布特征,且分布較為均勻,實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果與數(shù)值模擬非常吻合。而后,由磁流體的有效重力水平計(jì)算結(jié)果可知,在雙對(duì)線圈中心直徑60mm、高60mm的圓柱區(qū)域內(nèi)實(shí)現(xiàn)了90%以上的均勻的磁重力補(bǔ)償,且通過調(diào)節(jié)麥克斯韋線圈內(nèi)電流,可以實(shí)現(xiàn)磁力完全抵消重力,達(dá)到了后續(xù)實(shí)驗(yàn)所需的低微重力條件。本文的第二部分,首先對(duì)常重力條件下自然對(duì)流產(chǎn)生的條件、梯度磁場(chǎng)對(duì)自然對(duì)流的影響進(jìn)行了理論分析。然后設(shè)計(jì)并搭建了磁重力補(bǔ)償下磁流體自然對(duì)流傳熱實(shí)驗(yàn)研究系統(tǒng),并對(duì)常重力條件下不同濃度的磁流體自然對(duì)流傳熱以及不同磁重力補(bǔ)償水平下的磁流體自然對(duì)流傳熱進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。結(jié)果表明:常重力條件下,對(duì)于不同濃度的磁流體自然對(duì)流來說,加熱功率相同時(shí),隨著磁流體體積分?jǐn)?shù)增大,自然對(duì)流傳熱努塞爾數(shù)反而減小,表明磁流體中加入的納米磁性顆粒對(duì)自然對(duì)流有減弱的效果;均勻磁場(chǎng)作用下的磁流體,粘度會(huì)增大,導(dǎo)致了均勻磁場(chǎng)下磁流體的自然對(duì)流傳熱效率弱于常重力條件下的自然對(duì)流傳熱效率;磁流體在梯度磁場(chǎng)作用下受到磁場(chǎng)力的作用,磁場(chǎng)力的作用產(chǎn)生磁加速度。當(dāng)磁加速度的方向與重力加速度方向相反時(shí),會(huì)對(duì)磁流體自然對(duì)流產(chǎn)生抑制效果。磁場(chǎng)力越大,磁加速度就越大,對(duì)磁流體自然對(duì)流的抑制效果也就越強(qiáng)。本文的第三部分,設(shè)計(jì)并搭建了磁重力補(bǔ)償下磁流體內(nèi)氣泡動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)研究系統(tǒng)與沸騰傳熱實(shí)驗(yàn)研究系統(tǒng),并對(duì)常重力條件及不同磁重力補(bǔ)償水平下的磁流體內(nèi)氣泡動(dòng)力學(xué)及沸騰傳熱進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。結(jié)果表明:在常重力條件和磁重力補(bǔ)償條件下,氣泡都經(jīng)過產(chǎn)生、長(zhǎng)大和脫附這一過程。僅施加均勻磁場(chǎng)條件下,磁流體內(nèi)氣泡產(chǎn)生、長(zhǎng)大和脫附行為與常重力下的類似,氣泡脫附直徑與脫附頻率也基本相同;隨著磁重力補(bǔ)償水平的增大,氣泡脫附直徑逐漸增大。氣泡脫附頻率隨著磁重力水平的增大而減小。常重力條件下,氣泡在磁流體內(nèi)上浮過程中變得扁平;而在有磁場(chǎng)作用下,氣泡在上升過程中逐漸沿著磁場(chǎng)方向被拉成狹長(zhǎng)的橢圓形。且隨著磁重力補(bǔ)償水平的增大,氣泡上升速度變小。磁重力補(bǔ)償條件下的磁流體沸騰傳熱效率低于常重力下的沸騰傳熱效率。僅有均勻磁場(chǎng)作用下,由于磁流體粘度的增加,導(dǎo)致了加熱面磁流體對(duì)流傳熱效率降低,從而減弱沸騰傳熱效率。隨著磁重力補(bǔ)償水平的增大,磁流體所受到的磁場(chǎng)力增大,磁加速度增大且與重力加速度方向相反,導(dǎo)致驅(qū)動(dòng)加熱面上氣泡脫附的浮力減小,氣泡直徑增大,使得產(chǎn)生的氣泡更不易于從加熱面脫附,減弱了傳熱強(qiáng)度。且由于等效重力加速度的減小,沸騰傳熱過程中過熱壁面與流體之間的對(duì)流傳熱也被削弱,這兩種因素的共同影響導(dǎo)致了磁重力補(bǔ)償度越大,沸騰傳熱效率越低。本文將易于控制的磁體積力引入到對(duì)流傳熱的控制中,通過理論分析和實(shí)驗(yàn)研究的方法,初步研究了磁場(chǎng)作用下磁流體自然對(duì)流和沸騰傳熱的基本規(guī)律,提出了通過梯度磁場(chǎng)實(shí)現(xiàn)對(duì)流傳熱控制的基本方法,為低微重力環(huán)境下對(duì)流傳熱研究提供了參考。
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【學(xué)位授予單位】：上海大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號(hào)】：TK124

【參考文獻(xiàn)】

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1 曾令宏,張之翔;圓環(huán)電流的磁場(chǎng)以及兩共軸圓環(huán)電流之間的相互作用力[J];大學(xué)物理;2002年09期

2 楊立軍;杜小澤;楊勇平;;永磁梯度磁場(chǎng)布置方式對(duì)空氣自然對(duì)流換熱的影響[J];化工學(xué)報(bào);2007年12期

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本文編號(hào)：1354876