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国际传热与传质杂志
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审查
纳米流体在多孔介质中的流动与传热:最新进展综述
Alibakhsh Kasaeian a, Reza Daneshazarian a, Omid Mahian b, Lioua Kolsi c,d, Ali J. Chamkha e,f,
Somchai Wongwises b,uArr;, Ioan Pop g
a 伊朗德黑兰大学新科技学院可再生能源教授
b 泰国曼谷10140，国王蒙古特理工大学通武里分校，工程学院机械工程系流体力学、热工和多相流研究实验室(未来)
c 沙特阿拉伯哈伊尔市哈伊尔大学机械工程系工程学院
d 突尼斯Monastir大学国家工程学院计量和能源系统研究股
e 沙特阿拉伯Al-Khobar 31952，穆罕默德·本·法赫德王子大学汉尼工程系
f 沙特阿拉伯Al-Khobar 31952，穆罕默德·本·法赫德王子大学苏丹王子能源和环境捐赠基金
g罗马尼亚克卢日-纳波卡400084，s-Bolyai大学贝比数学系
文章信息
文章历史:
2016年6月23日
2016年11月22日收到，接受2016年11月22日
2016年12月8日上线
关键词:多孔介质纳米流体
传热增强
摘要
传热领域的研究人员总是试图寻找新的解决方案，通过强化传热来优化能量器件的性能。在各种增强能源系统热性能的方法中，一种是固体纳米颗粒在普通工作流体(如水)中的分散。这种悬浮液叫做纳米流体。另一方面，在换热器中利用多孔介质是提高热效率的另一种技术。多孔介质通过提供高的表面积接触来改善管道内的传热速率。在目前的工作中，对纳米流体和多孔介质同时用于不同结构、流动状态和边界条件的热系统的强化传热进行了全面的综述。
copy;2016爱思唯尔有限公司保留所有权利。
内容
- 介绍778
-
多孔介质中的纳米流体模型
- Buongiorno的纳米流体模型779
- Tiwari和Das纳米流体模型784
- 多孔介质中的非牛顿纳米流体
- 多孔介质中的MHD效应
- 结论789
确认789
参考文献789
1.介绍
传热在工程中许多方面的关键作用，最近为更详细地研究强化技术提
uArr;通讯作者。
电子邮件地址:somchai.won@kmutt.ac。(美国Wongwises)。
供了新的动力。传热发生在不同的系统，如热交换器，家用冰箱，汽车，建筑物，电子设备等。因此，使用合适的技术来强化传热对优化能源设备至关重要，而纳米流体的利用是适应这一目的的较新的解决方案之一。Nanofluid (Nanosus- pension)由Choi在1995年[1]推出，主要由两部分组成包括基础流体和固体纳米颗粒在内的组分，尽管在某些情况下，
http://dx.doi.org/10.1016/j.ijheatmasstransfer.2016.11.074 0017-9310/copy;2016爱思唯尔有限公司保留所有权利。
术语表
DB
DT
g H
Km Le NH
NHS
Nu Nb Nr Nt u-v P
Pr PeRa ReT
T1
(x– y)
b Pex Ra Reb T
T1
(x - y)
布朗扩散系数
热泳扩散系数
重力加速度向量
维层深度
多孔介质的有效导热系数
刘易斯数
流体/颗粒界面的Nield数，定义为11
流体/固相界面的Nield数，定义为11
努塞尔特数
布朗运动参数
浮力比
热迁移参数
速度分量
压力
普朗特数
沛克莱数
瑞利数
雷诺数
温度
环境温度
笛卡儿坐标
希腊符号
am
bT
s
l v qf qp
eth;qcTHORN;f eth;qcTHORN;m eth;qcTHORN;p U
U1
U1
多孔介质的热扩散系数
流体的体积膨胀系数
孔隙度
流体粘度
达西速度，(u, v)
流体密度
纳米颗粒质量密度
流体的热容
多孔介质的有效热容
纳米颗粒材料的有效热容
纳米粒子体积分数
获得了环境纳米粒子体积分数
下标
bf pS
基本解
纳米流体
纳米颗粒
固体基质相
会在悬浮液中加入表面活性剂以延长混合物的稳定性。由于纳米流体与普通液体相比具有更高的热导率，因此在工程系统中，特别是在电子设备的冷却方面，纳米流体具有提高传热速率的潜力。目前，全世界有几百个研究小组致力于纳米流体的研究[2,3]。
在工业系统中，另一种有吸引力的传热技术是多孔介质的使用，例如在管道和换热器中应用金属基多孔材料，如泡沫铜。多孔介质是一种含有孔隙的固体基质，孔隙通常充满流体。多孔介质被认为是刚性的、开放的细胞，是指孔隙之间是连通的，孔隙完全被流体充满，流体可以通过孔隙流动。近年来，利用纳米流体和多孔介质的技术得到了广泛的关注，并在这一领域引起了广泛的研究。多孔介质增加了液体和固体表面的接触面积，而分散在纳米流体中的纳米颗粒则提高了有效导热系数。因此，利用多孔介质和纳米流体可以显著提高典型热系统的效率。
本论文是对这一领域不同研究的综合文献综述。因此，使用不同类型的纳米流体和多孔介质的不同配置的几种模型和假设的各种研究结果被汇集在一起。本文还对相关研究中不同研究结果的比较进行了综述。
多孔介质如采油、电子冷却系统、热交换器等的广泛的实际应用对这一领域的研究具有很大的吸引力。由于其表面积大，可作为不同体系的绝缘体和热传导促进剂。因此，对这种材料的有效利用需要对能量和动量输运的建模进行仔细的研究[4,5]。流体在多孔介质中流动有几种动量模型。第一次描述多孔介质中的输运现象是达西在1856年提出的。固体-流体相互作用产生的阻力在达西定律中得到了体现。由于线性动量方程的存在，达西模型虽然简单，但由于无滑移边界条件的限制，出现
了富氏-达西模型、布林克曼-达西模型、达西-布林克曼-福希海默流动模型等改进模型。在Forchheimer- Darcy模型或最早的非Darcy模型中，速度项的平方被添加到Darcy项中。Brinkman考虑了粘性力，对Darcy模型进行了修正，在Stokes方程中加入了Darcy阻力项，即Brinkman- Darcy模型。将布林克曼-达西模型与福切海默-达西模型相结合，建立了广义的达西-布林克曼-福切海默(DBF)流动模型。已经提供了几个模型来描述nanoflu- ids的行为。在开放的文献中，这种特殊的行为归因于不同的机制。在Eastman等人[6]、Pak和Cho[7]以及Xuan和Li[8]的工作之后，Buongiorno[9]开发了一个全面的模型来表征纳米流体中的对流传输。
Mahdi等人对纳米流体在多孔介质中的流动和传热进行了综述。首先，他们收集了有关多孔介质的主要特性的信息，如孔隙率、渗透率和有效导热系数。然后，着重介绍了纳米流体的热物理性质和对流换热的类型。然而，目前的研究主要集中在用于模拟纳米流体在多孔介质中流动的常用模型上。
2.多孔介质中的纳米流体模型
2.1Buongiorno nanofluid模型
通过考虑纳米流体的相对速度，Buongiorno[9]建立了一个完整的纳米流体对流传热模型。提出了可能产生固体间相对运动的机构以及纳米
流体中的流体相。提出了布朗扩散、惯性、热泳、扩散泳、流体等机制
f
1
Nub frac14;
8 eth;Reb — 1000THORN;Prb
10THORN;
qffifffi Pr2 . eth;
1 thorn; dthorn;
. 3
8 v —
其中布朗扩散和热泳是滑移的主要机制。研究人员认为，纳米粒子在流体中的散射并没有在能量传递中起到重要作用。通过对湍流强度的neg-迟钝效应的证明，Buongiorno[9]提出了一个模型，该模型考虑了温度梯度和热泳动引起的边界层区域内纳米流体性质的变化。提出了质量守恒、动量守恒、热能守恒和纳米粒子守恒的四个方程。该模型认为纳米流体是两相的稀混合物。假设在纳米流体[9]中存在热平衡。
许多作者在分析纳米流体在多孔介质中的流动时，考虑了布朗运动和热泳动的影响，如参考文献[11-16]。在这组研究中,速度的依赖,tem - perature,纳米粒子体积分数概要文件和摩擦系数,传热速率和传质速率(按舍伍德数)参数变化的浮力比参数Nr(17、18),布朗运动参数Nb[17],热泳参数Nt(17、18)和刘易斯数[18]。通过实现Ober- beck-Boussinesq和边界层近似，在以下假设下，最终确定控制方程:
- 多孔介质均匀，局部热平衡
- 多孔介质的孔隙度为e，渗透率为K
假设纳米粒子均匀地分散在基底流体中，并考虑一个二维问题。x轴垂直向上,在yfrac14;0是竖直板。温度T和纳米粒子体积压裂,U Tw和华盛顿大学的常量值,分别在yfrac14;0
其中达西速度由v表示，控制方程由
考虑达西在多孔介质中的流动变为[11,12]:
r:v frac14; 0 eth;1THORN;
qf @v l
现有的对流换热相关研究多集中于自然对流[8,12,14,16]。混合对流问题也有一些研究[19-23]，强迫对流问题也有一些研究[24-26]。
Sheremet和Pop[17]考虑了共轭传热和Buongiorno模型，在充满纳米流体的多孔腔中研究了稳态自然对流。图1给出了几何形状和相关边界条件的示意图。该问题涉及的主要有效参数为瑞利和刘易斯无量纲数、浮力比指数、布朗运动和热泳阻参数、导热系数和固体壁厚。结果表明，在固体壁与多孔腔交界面上，局部努赛尔数随瑞利数和浮力比指数的增大而增大;另一方面，随着热泳参数和刘易斯数的增加，Nusselt数减少。
在另一项工作中，Sheremet和Pop[18]应用Buongiorno的模型
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