APPL THERM ENG|考虑布朗运动的开孔金属泡沫（OCMFs）中两相纳米流体流动特性与对流传热的孔隙尺度分析

研究背景

开孔泡沫（OCF）是具有高渗透性的低重量多孔结构，可用于各种能源系统以改善其性能。作为一种多孔介质，OCF中的传热和流体流动具有广泛的理论和应用科学应用。孔隙尺度的数值分析可以帮助我们确定多孔介质的特征，以进行宏观尺度的分析。其结果可用于建议改进多孔材料的设计。在孔隙尺度分析中，生成详细的孔隙几何形状，并在孔隙结构中求解治理方程。纳米流体作为高导电性纳米颗粒的浆液和基础流体，可以提高基液传热系数。纳米流体流动和传热的数值模拟已经成为许多研究的主题。纳米流体在多孔介质中的传热和流动传输通常以平均性质进行大规模模拟，这具有高度的不确定性。目前，大多数研究工作都是利用等效的多孔材料特性进行大规模的洞察，没有考虑多孔泡沫的细节，这可能与多孔泡沫的真实特性相差甚远。此外，纳米流体与多孔介质复杂结构的相互作用是热流体模拟中应该考虑的另一个重要问题，这一点在这些宏观尺度的工作中无法观察到。目前大多数研究都采用单相方法，只有很少的研究在孔隙尺度上研究纳米流体在多孔介质中的流动。为此，伊朗科技大学的Majid Siavashi团队采用孔隙尺度方法研究了开孔金属泡沫（OCMFs）中两相纳米流体的流动特性和对流传热。通过Buongiorno模型实现了流体流动和传热的模拟。在本研究中，研究了三种具有恒定孔隙度（0.86）和不同孔隙密度的OCMFs。此外，还研究了压力梯度、努塞尔数和达西速度随孔隙密度（作为几何参数）、纳米粒子直径、浓度和布朗运动力的变化。

相关成果以“Pore-scale analysis of two-phase nanofluid flow and heat transfer in open-cell metal foams considering Brownian motion”为题，发表在能源类国际顶级学术期刊《Applied Thermal Engineering》（JCR一区）上。

研究结果

工作人员研究了开孔金属泡沫（OCMFs）中两相纳米流体传热和流动的孔隙尺度分析，通过考虑不同雷诺数下的布朗运动对达西和非达西流动状态的影响。采用有限体积法（FVM），并在OpenFOAM开源库中开发了三维（3D）数值代码。使用有恒定的孔隙率（0.86）和不同的孔径的WP泡沫结构用于进行直接数值模拟（DNS）研究。使用Buongiorno模型模拟纳米流体流动，分析布朗运动、纳米颗粒直径、颗粒浓度和开孔泡沫（OCF）的孔密度对流体力学和传热的影响。结果表明：对于以3%纳米颗粒浓度流动的纳米流体，布朗力将OCMFs中的热传递从2%提高到14%。此外，增加纳米颗粒的直径可降低达西速度和传热达4%。另一方面，将颗粒浓度从3%增加到5%，可将传热增加10%，并将达西速度降低9%。最后，将孔隙密度加倍表明了流型的复杂行为，其中传热增加了30%，渗透率和速度降低了70%。可得到主要结论如下：

1)布朗运动降低了达西和非达西流动状态下的平均达西速度。另一方面，努塞尔数和传热系数增加。

2)增加纳米颗粒的直径会降低颗粒的随机运动，从而降低布朗运动力。

3)增加纳米颗粒的浓度会增加粘度。根据Darcy Forchhiemer方程，在恒定的压降和恒定的几何参数下，这会降低流速。此外，增加纳米颗粒的浓度会增加传热系数和努塞尔数。

4)在恒定孔隙率的情况下，基于孔径的努塞尔数（Nud）是雷诺数（Rek）的函数，与孔径无关。

5)提高多孔介质中纳米流体流动传热的一个重要机制是固体壁周围的浓度梯度，这可以促进布朗扩散传热。

研究数据

图1. OCF中模拟边界条件的示意图

图2. 在压力梯度为20Pa/m的情况下，对样品3的总努塞尔数（Nud）和x方向达西渗透率（Kx）与总体素的网格相关性分析

图3. 微通道出口高度的无量纲速度分布

图4. 微通道中的无量纲温度分布

图5. 样品3中，布朗运动对（a）压力梯度与达西速度；（b）努塞尔数与雷诺数的影响

图6. 样品3中, (a)纳米粒子直径对作为达西速度函数的压力梯度的影响；(b) 纳米颗粒直径对作为雷诺数函数的努塞尔数的影响

图7. 对于相同粒径为25nm且浓度为3%的三种金属泡沫样品的（a）传热系数和（b）努塞尔数随雷诺数的变化

https://doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2022.119847

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