通過納米流體強化電磁感應加熱研究綜述

摘 """""要：取暖是居民在冬季的重要生活保障，現階段取暖方式主要為鋪設管道取暖，此方法有能源消耗高、大氣污染等缺點。針對此短板，擬開發一種金屬納米電磁感應加熱采暖技術。從改變電磁感應加熱參數和納米尺度出發，通過實驗探究納米顆粒對傳熱過程中的影響，找到能夠提高能源利用率并且保證供暖效率的方法。隨后，基于實驗過程的結果對實驗裝置三維模型的多場耦合模擬結果進行驗證。最終為創造出一個高效、環保的新型取暖設備提供一定的理論支撐。

關 "鍵 "詞：納米流體；電磁感應；強化傳熱；數值模擬

中圖分類號：TQ028"""""文獻標志碼：A """"文章編號：1004-0935（2024）12-1883-04

隨著科技的發展，能源的成本在不斷上升。然而傳統換熱工質的熱導率及換熱能力逐漸跟不上現代科技，導致設備的換熱性能下降。1995年時，CHOI等提出來納米流體這一概念。納米流體就是在傳統的換熱工質中加入導熱系數較高的金屬納米顆粒，制成穩定的懸浮液從而達到增加其換熱性能的目的。相較于其他換熱工質，納米流體的優勢在于：首先是金屬納米顆粒、工質液體、壁面三者之間進行碰撞，導致邊界層被破壞，從而增強了納米流體工質整體導熱系數；其次，金屬納米流體呈現球狀，具有更大的比表面積，提升了液體導熱系數；最后是金屬納米顆粒的布朗運動比較強烈，可減少金屬納米顆粒的沉積，提供了穩定的懸浮能力。

納米流體因為其優異的熱性能被認為是下一代傳熱介質。通過分析納米粒子的濃度、尺寸和形狀等因素，討論了納米粒子對于納米流體傳熱性能的影響。納米流體的熱物理性質和流動速度直接影響了其傳熱系數。高導熱納米粒子有效提高了納米流體的導熱系數，尤其是金屬納米顆粒。金屬納米顆粒的尺寸以及形狀也是需要考慮的因素，通過改變金屬納米粒子的尺寸以及形狀會影響納米流體的濃度和黏度。

納米流體強化傳熱的技術在航空航天器、汽車冷卻、太陽能系統、高溫超導體的冷卻以及大功率電子元件的散熱系統中大幅度提高了傳熱性能，應用前景十分廣泛。尤其是對于傳統散熱器無法滿足的高熱流微電子器件，金屬納米粒子質量輕、結構緊湊、比表面積大、換熱能力強的特點被廣大學者關注，高性能納米流體在此條件下的強化傳熱被廣泛研究。

1 "外加電場或磁場對納米流體傳熱的影響

1.1 "電場對傳熱的影響

通過實驗研究與理論論證發現電場對于單相流和兩相流體的熱傳導均有很大的影響。針對單相流來說，由于電場分布不均勻以及相對介電常數的變化引起了納米流體內部的壓差不同，導致了流體內部形成了電對流，增加了流體的擾動程度。針對兩相流而言，由于電場的作用，在流場中產生電對流，使流體的運動更加劇烈。

在20世紀，電流體力學發展之初，廣大學者對電場增強單相流的傳熱進行了密切的關注。隨著社會科技的發展，納米流體在傳熱過程中的研究與應用不斷增加，廣大學者在21世紀逐漸開始加大了對納米流體通過電場傳熱增強的關注。近些年來，許多學者通過建立物理理論模型、數值模擬以及實驗研究，探究了影響納米流體傳熱性能的因素，闡明了外加電場下納米流體的傳熱規律，最終發現納米流體的傳熱和對流隨著電場強度的增加而增加。

趙丹、唐國等^[1]的研究證實了納米流體在外加電場存在下的傳熱規律，即隨著電場強度的增加，納米流體的傳熱性能得到了很大改善。Daniel等^[2]研究了納米流體在外加電場下向非線性拉伸表面的EHD流動，并且探討了加厚現象和外加電場的傳熱特性。

Saravani等^[3]研究了壓力和電場對納米流體對流換熱的影響。結果表明，當電場恒定且壓力增大時，努塞爾數減小，在固定壓力下，努塞爾數隨著電場強度的增加而增加。

1.2 "磁場對傳熱的影響

外加磁場的傳熱增強是主動傳熱技術的另一個熱點，近些年來，外加磁場強化傳熱引起了許多學者的關注。對于磁場增強傳熱的原因，一些研究人員提出了一種理論，即外加磁場增加了粒子與粒子、粒子與液體、粒子與壁面之間的相互作用和碰撞，對磁流體進行了擾動，進而增強了磁流體的傳熱。王正良認為，外加磁場會增加磁流體的密度，然而自然對流是由于磁流體密度變化引起的浮力來產生的。因此，磁場通過改變磁性液體的密度，可以明顯促進流場中的自然對流，進而增強磁流體的傳熱。另一些研究人員提出來另一種理論，即非均勻橫向磁場產生開爾文力，開爾文力產生一對渦流，將磁流體從兩側壁面驅動到管的中心。因此，冷的邊界層擴散到溫暖的磁性流體中，最終改善、增加努塞爾數。Shakiba等^[4]根據實驗結果，認為外加磁場形成開爾文力，造成了磁流體中形成渦流，破壞了溫度邊界層，使得磁流體的傳熱增強。

2 "影響納米流體強化傳熱的因素

在尋常工質中加入納米顆粒形成納米流體懸浮液增強了流體中的能量傳遞，進而可以增強納米流體的導熱性能。Pordanjani等^[5]認為納米流體具有四種熱物理性質：密度、黏度、導熱性和比熱，這四種熱物理性質隨著向傳統工質中添加金屬納米顆粒而變化。Hozien等^[6]通過實驗研究了TiO₂/水、ZnO₂/水以及Ag/水納米流體的熱物理性質，其納米顆粒粒徑分別為14、20和16"nm。納米顆粒濃度為25.8%。結果表明，三種納米流體的密度、黏度、導熱系數均增加。

2.1 "納米粒子濃度的影響

在圖1中，顯示了納米顆粒對納米流體性能的影響。一般來說，納米流體中納米顆粒濃度的增加會引起納米流體的密度和黏度的增加，并且增強其導熱性。Rabienataj等^[7]用Viscolite2700濃度計進行實驗，結果表明流體中納米顆粒濃度的增加會導致納米流體黏度增加。Osman等^[8]經過實驗測量，也得到了同樣的結果。近些年，Saleh等^[9]分析了一種MWCNT/水納米流體，結果表明，在15.27%納米顆粒濃度下，納米流體比傳統工質導熱性能更強。導熱系數提高了9.15%，黏度增加了1.0%，密度增加了3.0%。

根據以上學者研究成果可知，通常，納米流體的主要熱物理性質會受到納米顆粒濃度改變的影響。隨著納米顆粒濃度增加，導熱系數、密度和黏度均會增加。與金屬納米流體相比，金屬氧化物納米顆粒會表現出更好的導熱性能。金屬納米顆粒在密度、黏度方面改善更加明顯。但是納米流體濃度變化過程中，其比熱在過程中無顯著變化。隨著溫度的升高，納米流體的導熱系數增加，黏度與密度均會降低。

2.2 "納米粒徑的影響

納米粒徑是影響納米流體主要熱物理性質的重要參數。Kim等^[10]通過實驗，研究了U型管太陽能集熱器的傳熱性能，發現納米顆粒的尺寸對于集熱器的傳熱性能有較大的影響。使用1%的體積分數和三種直徑（20、50和100 nm）的納米顆粒，采用Al₂O₃-水納米流體，結果表明，在直徑為20 nm時，納米流體的導熱系數比直徑為50 nm時高了1.54%，比直徑為100 nm時高了2.43%。在相同濃度的納米流體中，直徑為20 nm時太陽能集熱器的最大效率為24.1%，直徑為50 nm時，最大效率為20.4%，直徑為100 nm時，最大效率為17.8%。總體來說，小納米顆粒的傳熱強化要優于大納米顆粒。

納米顆粒的粒徑還會影響納米流體的黏度、導熱性和密度。Ganguly等^[11]通過實驗得出，減小納米顆粒的粒徑會增強納米流體的熱物理性質。此外，影響納米流體熱物理性質的主要因素包括納米顆粒形態和濃度。

2.3 "納米顆粒形狀的影響

納米流體中常用的納米顆粒形狀如圖2所示，不同形狀的納米顆粒形成的納米流體可以直接影響最終納米材料的黏度和導熱性。

Cui等^[12]對不同納米顆粒形狀的納米流體的熱導率進行了實驗研究。結果表明，柱狀和片狀的納米顆粒形成的納米流體相對熱導系數高于其他形狀。

Elias等^[13]研究了納米流體中不同形式的納米顆粒對換熱器性能的影響。結果表明，系統傳熱和熱力學性能均有所提高。柱狀納米顆粒形成的納米流體在導熱系數、傳熱系數和整體傳熱系數方面表現較為突出（如圖3所示）。

在數值模擬中，Saranya^[14]、Dehaj^[15]、Hajabdollahi等^[16]還發現，納米流體的濃度、黏度和導熱系數都受到納米顆粒形狀的影響。一般來說，納米流體的黏度、導熱系數都會隨著濃度的增大而增大，不同形狀的納米顆粒濃度隨著納米顆粒濃度增大而增大。與其他形式的納米顆粒相比，在固定顆粒濃度下，柱形和磚形納米顆粒形成的納米流體導熱性更好。

3 "結 論

本文綜述了近幾十年來，納米流體傳熱影響因素的相關文章。介紹了研究人員采用的方法以及重要成果。

探討通過外加電場、磁場形成電磁感應對納米流體性能和機理的影響，使得研究人員對電磁感應對納米流體影響的現狀有清晰的認識。

研究了納米顆粒濃度影響納米流體的熱物理性質，提高傳熱系數。還研究了納米顆粒的形狀，大小對納米流體傳熱系數、導熱系數的影響。

隨著納米流體在傳熱方面的飛速發展，其發展前景十分廣闊，并且逐步代替傳統的傳熱工質，本文綜述了其傳熱優化的特點，為廣大研究人員提供有前景的研究方向。

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Review of Studies on Enhanced Electromagnetic

Induction Heating by Nanofluidics

WANG Yunhai^1，2， XIN Hai³，"HE Chengdong¹， ZOU Yaoyang¹， ZHAO lei¹

（1. Liaoning Petrochemical University， Fushun Liaoning 113001， China;

2."University of Chinese Academy of Sciences， Beijing 100083， China;

3. Fushun Mining Group， Fushun Liaoning 113001， China）

Abstract：""Heating is an important living guarantee for residents in winter. At present， the main heating method is to lay pipelines for heating， but this method has disadvantages such as high energy consumption and air pollution."It was planned to develop a metal nano electromagnetic induction heating technology"to address this issue. Starting from changing electromagnetic induction heating parameters and nanoscale， the influence of nanoparticles on heat transfer processes was explored through experiments， and methods to"improve energy utilization efficiency and ensure heating efficiency"were found. Subsequently， based on the results of the experimental process， the multi field coupling simulation results of the three-dimensional model of the experimental device were verified， providing"certain theoretical support for creating an efficient and environmentally friendly new type of heating equipment.

Key words："Nanofluid; Electromagnetic induction; Enhanced heat transfer; Numerical simulation