らせん状溝管内のTiO2-水ナノ流体の流れと熱伝達特性に関する実験的研究

背景

ナノ流体は、熱伝達性能に優れた媒体流体の一種であり（たとえば、ZnO-EGナノ流体[1]、Cu-CTAC / NaSalナノ流体[2]、MWCNTs-CTAC / NaSalナノ流体[3]）、さまざまな分野で使用されています。 、きれいな水の生成[4]、太陽の光熱変換[5]、沸騰熱伝達[6]など。

ナノ流体の対流熱伝達は、自然対流および強制対流熱伝達を含む重要な熱伝達プロセスです。多くの研究者が、ナノ流体の自然対流熱伝達を調査しました。 Li etal。 [7]は、ZnO-EG / DWナノ流体で満たされた正方形のエンクロージャの自然対流を実験的に調査し、高いEG水溶液濃度が熱伝達の向上に不利であるという結論を得ました。 Hu etal。 [8] Al ₂ の自然対流を実験的および数値的に調査しました O ₃ -正方形のエンクロージャー内の水ナノ流体。ナノ粒子の割合が最も高いナノ流体は、熱伝達を悪化させることがわかりました。彼等。 [9] Al ₂ の自然対流を数値的に研究 O ₃ -格子ボルツマン法による正方形の筐体内の水ナノ流体、および結果は、熱伝達性能がナノ粒子の体積分率とともに低下することを示しました。 Qi etal。単相モデル[10]と二相格子ボルツマンモデル[11]により、さまざまなアスペクト比のエンクロージャー内のCu-ガリウムナノ流体の自然対流を数値的に研究しました。彼ら[12]は、Al ₂ の自然対流についても研究しました。 O ₃ -二相格子ボルツマンモデルを使用した水ナノ流体、および結果は、より小さなアスペクト比のエンクロージャ内のナノ流体がより高い熱伝達増強比を有することを示した。結論として、高い加熱力やナノ粒子の割合などのいくつかの要因が熱伝達の向上に有利である一方で、エンクロージャーの大きなアスペクト比や熱伝導率の低いベース流体などの他のいくつかの要因が自然対流熱伝達の減少に。ナノ流体の自然対流は多くの分野で広く適用されていますが、高出力密度の条件下では高効率の熱放散に対応できません。

自然対流と比較して、強制対流熱伝達はより高い熱伝達係数を持っています。研究者は、ナノ流体の強制対流熱伝達特性を調査するために、さまざまな実験方法を採用しました。 Sun etal。 [13、14]は、Cu-水、Al-水、Al ₂ の流れと熱伝達特性を実験的に調査しました。 O ₃ -水、Fe ₂ O ₃ -ビルトインツイストベルトおねじ山チューブ内の水およびCu-水ナノ流体。Cu-水ナノ流体が最高の熱伝達性能を示すことがわかりました。ヤンら。 [15]滑らかなチューブ内のCu-水およびCu-粘弾性流体ナノ流体の流れおよび熱伝達特性を実験的に調査し、その結果、Cu-粘弾性流体ナノ流体は粘弾性ベース流体よりも高い熱伝達性能を有するが、より低い流れを有することが示された。 Cu-水ナノ流体よりも抵抗。 Abdolbaqi etal。 [16] TiO ₂ の熱伝達促進を実験的に研究しました -フラットチューブ内のBioGlycol /水ナノ流体は、熱伝達の向上と摩擦係数の間に新しい相関関係を確立し、その結果、ナノ流体の熱伝達性能はベース流体よりも約28.2％大きいことが示されました。 Naphon [17]は、TiO ₂ の熱伝達特性を実験的に研究しました。 -水平らせん状に巻かれたチューブ内の水ナノ流体。ナノ流体の熱伝達性能は、曲率が減少し、ナノ粒子の割合が増加するにつれて増加することがわかりました。 Shahrul etal。 [18]およびKumarとSonawane [19]は、3種類のナノ流体（Al ₂ ）の熱伝達特性を実験的に調査しました。 O ₃ -水、SiO ₂ -水、およびZnO-水）と2種類のナノ流体（Fe ₂ O ₃ -水とFe ₂ O ₃ -EG）シェルアンドチューブ熱交換器で、ZnO-水とFe ₂ O ₃ -水ナノ流体は、それぞれの研究で最高の熱伝達性能を示しています。 El-Maghlany etal。 [20]は、水平二重管熱交換器におけるCu-水ナノ流体の熱伝達特性と圧力損失を実験的に調査し、その結果は、ナノ流体の熱伝達の向上がナノ粒子の割合とともに増加することを示しました。 Sundar etal。 [21] Fe ₃ の流れと熱伝達特性を実験的に研究しました O ₄ -リターンベンドとワイヤーコイルインサートを備えた水平プレーンチューブ内の水ナノ流体。結果は、ナノ粒子の割合が増加し、ワイヤーコイルインサートのp / d比が減少するにつれて熱伝達性能が向上することを示しました。上記の研究は、主に、滑らかなチューブ、フラットチューブ、スパイラルコイルチューブ、またはワイヤーコイルインサートを備えたチューブ内のナノ流体の熱伝達性能に焦点を当てています。

上記の実験的研究に加えて、らせん状の波形チューブ内のナノ流体の強制対流熱伝達特性も調査されます。 Darzi etal。 [22、23] Al ₂ の乱流熱伝達を実験的および数値的に研究しました O ₃ -らせん状の波形チューブ内の水ナノ流体、および結果は、プレーンチューブよりも優れた熱伝達性能が得られることを示しました。 Darzi etal。 [24] SiO ₂ の乱流熱伝達特性を実験的に調査しました -らせん状の波形チューブ内の水ナノ流体と、波形チューブの熱伝達に対する5ピッチの波形の影響について説明しました。結果は、小さなピッチの波形が熱伝達性能を大幅に向上させることができることを示しました。 Park etal。 [25]は、らせん状溝付きチューブ内のサーモクロミック液晶の熱伝達を研究し、その結果、低レイノルズ数（30,000）でのらせん状溝付きチューブと滑らかなチューブの間の熱伝達促進率が高い場合よりも高いことを示しました。レイノルズ数（50,000および70,000）。上記の研究は、主にらせん状の波形チューブ内のナノ流体の熱伝達と流動特性を調査しました。ただし、滑らかなチューブとらせん状の溝付きチューブ内のナノ流体の熱水力性能の包括的な分析については、さらに議論する必要があります。

上記の研究は、滑らかなチューブ、ワイヤーコイルインサートを備えた滑らかなチューブ、熱交換器、らせん状の波形チューブなどの流れと熱伝達特性に大きく貢献しました。この原稿の主な目新しさは主に次のとおりです。（1）ナノ流体の安定性をテストする新しい方法（透過率法）が紫外分光光度計によって確立されます。これは、公開されている参考文献で広く採用されている沈殿法とは異なります。透過率法の結果は定量化できますが、沈殿法の結果は定量化できません。 （2）TiO ₂ の熱水力性能の包括的な評価 -滑らかなチューブとらせん状の溝のあるチューブ内の水ナノ流体について説明しますが、これらはあまり調査されていません。興味深いことに、最大のレイノルズ数のナノ流体は、らせん状の溝付きチューブで最高の熱水力性能を持たない可能性があり、最高の熱水力性能には臨界レイノルズ数があります。

メソッド

ナノ流体の準備と安定性の研究

TiO ₂ はナノ粒子として選択され、水はベース流体として選択されます。図1は、TiO ₂ を示しています。 ナノ粒子。 TiO ₂ -実験中の水ナノ流体は2段階の方法で調製され、図2に調製プロセスの詳細を示します。各サブステップで、機械的攪拌時間は30分、超音波処理時間は40分です。水中の分散剤の質量分率は6wt％で、ナノ流体のpH値は8です。表1は、ナノ流体の調製プロセスにおけるいくつかの材料の情報を示しています。図1から、ナノ粒子は容易に凝集することがわかります。したがって、ナノ流体の安定性は、公開された参考文献によって広く採用されている沈殿法を使用して調査されます。 TiO ₂ の安定性 -さまざまな静止時間でのさまざまな質量分率（0.1、0.3、および0.5 wt％）の水ナノ流体を図3で調べます。これは、72時間後のナノ流体の安定性が依然として良好であることを示しています。

TiO ₂ の形態 ナノ粒子。 TiO ₂ のTEM画像 ナノ粒子： a 20 nm、 b 50 nm、および c 100 nm

ナノ流体の調製。 TiO ₂ の準備プロセス -2段階法による水ナノ流体

ナノ流体の安定性の観察。 TiO ₂ -さまざまな静止時間での水ナノ流体： a t =0 h、 b t =48時間、 c t =72時間

ナノ流体の安定性をさらにチェックするために、この論文では、ナノ流体の安定性をテストする新しい方法（透過率法）を紫外分光光度計によって確立します。図4に透過率（τ）を示します。 ）TiO ₂ の変更 -水ナノ流体（ω =0.3％）静止時間付き。異なる用量の効果（ M ）分散剤の量とナノ流体の安定性に関するさまざまなpH値を調査します。ご存知のように、ナノ粒子が水中に均一に分布している場合、ナノ流体は最も多くの光を反射し、反射率が高く透過率が低いナノ流体になります。図4から、ナノ流体（ω =0.3％） M =6 wt％およびpH =8の透過率が最も低くなります。他の質量分率のナノ流体（ω =0.1％およびω =0.5％）はすべて M で準備されています この論文では=6 wt％、pH =8であり、ωを使用したナノ流体の透過率の変化傾向 =0.1％およびω =0.5％は、ωのナノ流体と同じです =0.3％。したがって、この論文で調製されたナノ流体の良好な安定性を保証することができます。さらに、分散剤とpHが水の熱伝導率と粘度に及ぼす影響を調査したところ、分散剤とNaOHが少ないため、分散剤とNaOHの影響はわずかでした。

透過率（τ ）のナノ流体（ω =0.3％）。透過率は、TiO ₂ の静止時間とともに変化します -水ナノ流体（ω =0.3％）異なる用量（ M ）分散剤の： a M =5 wt％、 b M =6 wt％、 c M =7 wt％、および d M =8 wt％

図5は、TiO ₂ の熱伝導率と動的粘度を示しています。 -さまざまな温度とせん断速度での水ナノ流体。この論文の水の熱伝導率はマクスウェルとよく一致していることがわかります[26]。ナノ粒子の熱伝導率が高いため、熱伝導率はナノ粒子の質量分率とともに増加し、ナノ流体の熱伝導率は水と比較して0.17〜1.6％増加することがわかります。また、高温はナノ粒子のブラウン運動を促進し、ナノ流体の熱伝導率を向上させるため、熱伝導率は温度とともに増加することがわかります。熱伝導率の結論に加えて、動的粘度は初期段階でせん断速度とともに増加し、せん断速度の増加とともに一定に保たれ、ナノ流体の粘度は水と比較して2.5〜13.6％増加することがわかります。これは、初期段階でナノ流体に加えられた小さなせん断力が流れ場の平衡を崩し、動的粘度の増加（せん断増粘挙動）を引き起こすためです。流れ場が再び定常状態に達したときの動的粘度は一定であり、ニュートン流体の特性とよく一致しています。

熱伝導率と動的粘度。 TiO ₂ の熱伝導率と動粘度 -さまざまな温度とせん断速度での水ナノ流体。 a 熱伝導率 b 動的粘度

実験システム

TiO ₂ の流れと熱伝達特性の実験システム -らせん状の溝付きチューブ内の水ナノ流体が確立されます。図6に実験システムの概略図を示します。実験システムには、主に伝熱試験部、流動抵抗試験部、温度制御シンク、ポンプが含まれます。らせん状の溝付きチューブは、DC電源に接続された抵抗線によって加熱されます。らせん状溝付き管の外壁温度は、らせん状溝付き管の表面に均一に分布している10個のT型熱電対によって得られます。らせん状溝付きチューブのナノ流体の出口温度と入口温度は、2つのK型熱電対によって測定されます。すべての熱電対は、データ取得機器（Agilent 34972A）に接続されています。流れ抵抗は差圧計で測定されます。

実験システム。実験システムの概略図

らせん状溝付きチューブの詳細図を図7に示します。滑らかなチューブとらせん状溝付きチューブの場合、材料はすべてステンレス鋼で、同等の直径は同じで、長さはすべて1200 mm、テストセクションはすべてです。チューブの中央セクションは1000mmで、入口効果を避けるためにチューブの両端に100mmのセクションが残されています。

らせん状の溝付きチューブ。らせん状の溝付きチューブの詳細図

計算式

暖房電力はDC電源から供給されます：

ここで、\（{Q} _ {\ begin {array} {l} 0 \\ {} \ end {array}} \）は暖房能力、 U は電圧で、 I は電流です。

流体によって吸収される熱は、次のように計算されます。

ここで Q _f は流体によって吸収される熱です。 c _p は流体の比熱、 q _m は質量流量、 T _out および T _in は流体の出口温度と入口温度です。

熱容量は次のように与えられます：

ここで c _p はナノ流体の熱容量、φ はナノ粒子の体積分率、下付き文字「bf」はベース流体を表し、下付き文字「p」はナノ粒子を表します。

流体の平均温度は次のように計算されます。

ここで T _f はチューブ内の流体の平均温度です。

チューブの外壁平均温度は次のように表示されます。

ここで T _ow はチューブの外壁平均温度 T w（ i ）は、チューブの外壁に取り付けられた熱電対の温度であり、チューブの外壁に均一に取り付けられた熱電対は10個あります。

チューブの内壁の平均温度は次のように計算できます。

ここで T _iw はチューブの内壁の平均温度、 r oと ri はチューブの外半径と内半径、λ はチューブの熱伝導率であり、 l はチューブの長さです。

対流熱伝達係数は次のように計算されます。

ここで h _f は対流熱伝達係数であり、 d _e はチューブの等価直径です。

ヌセルト数は次のように計算されます：

ここで Nu はヌセルト数であり、λ _f は、熱伝導率測定器によって測定されたチューブ内の流体の熱伝導率です。

レイノルズ数は次のように表示されます：

ここで、Reはレイノルズ数ρです。 は流体の密度、 u は流体の速度であり、μ _f は、超回転レオメーターで測定された流体の動的粘度です。

ナノ流体の密度は次のように表示されます：

ここで、ρ はナノ流体の密度、φ はナノ粒子の体積分率、ρ _bf は水の密度であり、ρ _p はナノ粒子の密度です。

流体の摩擦抵抗係数は次のように表されます。

ここで f は摩擦抵抗係数、\（\ frac {\ varDelta p} {\ varDelta l} \）は単位長さあたりの圧力損失です。

伝熱と流動抵抗の総合評価式は次のようになります[27]：

ここでς 総合評価指標です。

不確実性分析

実験誤差は、実験システムの機器の精度によって引き起こされます。対応する誤差方程式を次のように示します。

ここで、DC電力の精度は±5.0％、熱電対の精度は±0.1％であり、ヌセルト数の誤差は式（1）から得られます。 （13）であり、約±5.0％です。圧力変換器の精度は±0.5％、長さの精度は±0.1％、質量流量の精度は±1.06％であり、摩擦抵抗係数の誤差は式（1）から求めることができます。 （14）そして約±1.29％です。

結果と考察

実験的なシステム検証

ナノ流体の実験的研究の前に、実験システムの検証が必要です。熱伝達媒体として水が選択されます。この論文の実験結果と公表された文献の結果との間のヌセルト数と摩擦抵抗係数を図1と図2に示します。これは、図8および9から見つけることができます。異なるレイノルズ数でのヌセルト数と摩擦抵抗係数は、それぞれ公開された文献[28、29]と[30、31]の結果とよく一致していることが8と9に示されています。層流と乱流でのヌセルト数と摩擦抵抗係数の最大誤差は、それぞれ約3.5、2.8、2.1、2.1％であり、実験システムの精度と信頼性を検証しています。また、図8bのDittus-Boelterの結果は、実験式が強い乱流ゾーンにのみ適用できるため、遷移流下での実際の結果よりも高いことがわかります。これは、文献の結果と一致します[28]。 。これは、このペーパーの結果の妥当性をさらに証明します。

伝熱特性の検証。実験結果と文献の結果の間のヌセルト数の比較。 a 層流 b 乱流

フロー特性の検証。実験結果と文献結果の摩擦抵抗係数の比較。 a 層流 b 乱流

実験結果と考察

TiO ₂ の流れと熱伝達特性 -滑らかなチューブ内の水ナノ流体が調査されます。図10は、さまざまなレイノルズ数のナノ流体で満たされた滑らかなチューブのヌセルト数を示しています。層流と乱流の場合、ヌセルト数はレイノルズ数とナノ粒子の質量分率とともに増加します。流体の乱流はレイノルズ数とともに増加します。これにより、層流境界層が減少し、熱伝達が向上します。ベース流体にナノ粒子を追加すると、全体の熱伝導率が増加し、熱伝達も向上します。さらに、ナノ粒子のブラウン運動の増加、接触角の減少、不均一なせん断速度、粒子形状、および凝集を含む他の要因も、熱伝達の向上に大きな影響を与えることが示唆されています[32、33]。以前に発表された論文[11]では、ブラウン力と粒子サイズが熱伝達の向上に及ぼす影響について説明しました。ブラウニアン力は、ナノ粒子間の相互作用力の最大の力であり、熱伝達の向上に有利であり、小さな粒子サイズも熱伝達の向上に有利であることがわかった。図10aから、水からωへの伝熱促進率がわかります。 =0.1 wt％ナノ流体が最大のものを示していますが、ωからのナノ流体の熱伝達促進率 =0.1 wt％からω =0.3 wt％が低下し始め、ωからのナノ流体の熱伝達促進率 =0.3 wt％からω =0.5 wt％は最小のものを目撃します。図5に示すように、ナノ流体の熱伝導率と粘度は、水と比較してそれぞれ0.17〜1.6％と2.5〜13.6％増加します。層流の場合、速度が遅く、ナノ粒子が少ないため、熱伝達に対する粘度の影響は小さく、水からωまでの熱伝導率が大きな役割を果たします。 =0.1 wt％ナノ流体。ただし、ナノ粒子の割合が増えると、熱伝導率の増加と比較して粘度が劇的に増加し、熱伝達の向上率が低下します。乱流の場合、ナノ粒子の質量分率が異なるナノ流体の熱伝達の向上が近いことがわかります。これは、乱流が伝熱促進に大きな役割を果たし、ナノ粒子の質量分率の影響が小さくなるためです。また、ナノ流体は、乱流に比べて層流で大きな熱伝達促進率を示すことがわかります。ナノ粒子の質量分率は、層流の熱伝達の向上に大きな役割を果たし、ナノ粒子の質量分率の増加に伴って大きな熱伝達の向上を示します。ただし、熱伝達の向上に対するナノ粒子の質量分率の影響は、乱流では小さくなり、乱流強度が主要な役割を果たします。したがって、層流の場合と比較して、乱流の場合のナノ粒子の質量分率の増加に伴い、熱伝達の向上率が小さくなります。

滑らかなチューブのヌセルト数。異なるレイノルズ数のナノ流体で満たされた滑らかなチューブのヌセルト数。 a 層流 b 乱流

図10のデータに基づいて、図11は、滑らかなチューブ内の水に対するナノ流体のヌセルト数比を示しています。 TiO ₂ -ωの水ナノ流体 =0.5 wt％、ω =0.3 wt％、およびω =0.1 wt％は、滑らかなチューブ内の水と比較して、層流では11.2、7.4、4.5％、乱流では16.2、13.9、11.9％の熱伝達をそれぞれ向上させます。

滑らかなチューブのヌセルト数比。滑らかなチューブ内のナノ流体とベース流体のヌセルト数比

TiO ₂ の伝熱特性に関する研究に加えて -滑らかなチューブ内の水ナノ流体、流動特性も調査されます。図12は、ナノ流体で満たされた滑らかなチューブの摩擦抵抗係数と圧力損失を示しています。図12から、レイノルズ数の増加は速度の増加を引き起こすため、摩擦抵抗係数はレイノルズ数とともに減少することがわかります。これは、式（1）による摩擦抵抗係数に反比例します。 （9）と（11）。圧力損失はレイノルズ数に比例しますが、摩擦抵抗係数はレイノルズ数に反比例するため、圧力損失は摩擦抵抗係数とともに減少することがわかります。したがって、圧力降下は摩擦抵抗係数に反比例します。また、図12から、摩擦抵抗係数はナノ粒子の質量分率とともに増加するが、異なるナノ粒子の質量分率間では増加が小さいことがわかります。 TiO ₂ の場合 -ωの水ナノ流体 =0.5 wt％、ω =0.3 wt％、およびω =0.1 wt％の滑らかなチューブでは、層流で7.9、5.2、3.0％、乱流で2.5、1.5、0.6％の最大の向上が、滑らかなチューブの水と比較して摩擦抵抗係数でそれぞれ発生します。ナノ粒子を水に加えると、摩擦抵抗係数に比例する粘度が増加します。ただし、摩擦抵抗は主にらせん状の溝付きチューブのスクリュー構造によって引き起こされ、摩擦抵抗に対するナノ粒子の影響はスクリュー構造の効果よりもはるかに小さいため、異なるナノ粒子の質量分率にわずかな違いが生じます。

滑らかなチューブの摩擦抵抗係数と圧力損失。ナノ流体で満たされた滑らかなチューブの摩擦抵抗係数と圧力損失。摩擦抵抗係数： a 層流と b 乱流;圧力損失： c 層流と d 乱流

上記の研究は、滑らかなチューブ、および水とTiO ₂ の流れと熱伝達特性に関するものです。 -らせん状の溝付きチューブ内の水ナノ流体は、次のテキストで調査されます。図13は、TiO ₂ で満たされたらせん状の溝付きチューブのヌセルト数を示しています。 -異なるレイノルズ数の水ナノ流体。滑らかなチューブ（図10）と同様に、らせん状の溝付きチューブ（図13）でも同様の結論が得られます。ヌセルト数はレイノルズ数とナノ粒子の質量分率とともに増加することがわかります。らせん状の溝付きチューブと滑らかなチューブの違いは、らせん状の溝付きチューブのねじ構造により、滑らかなチューブよりもらせん状の溝付きチューブの方が熱伝達が大幅に向上することです。

らせん状の溝付きチューブのヌセルト数。異なるレイノルズ数のナノ流体で満たされたらせん状の溝付きチューブのヌセルト数。 a 層流 b 乱流

図13のデータに基づいて、図14は、らせん状の溝付きチューブ内の水に対するナノ流体のヌセルト数比を示しています。図14は、TiO ₂ -ωの水ナノ流体 =0.5 wt％、ω =0.3 wt％、およびω =0.1 wt％は、らせん状の溝付きチューブ内の水と比較して、層流で14.7、12.6、および11.3％、乱流でそれぞれ42.8、35.4、および24.6％熱伝達を向上させることができます。乱流の場合、層流の場合よりも熱伝達が大幅に増加します。

らせん状の溝付きチューブのヌセルト数比。らせん状の溝付きチューブ内のナノ流体とベース流体のヌセルト数比

TiO ₂ の流動特性 -らせん状の溝付きチューブ内の水ナノ流体も研究されています。図15は、ナノ流体で満たされたらせん状の溝付きチューブの摩擦抵抗係数と圧力損失を示しています。これは、摩擦抵抗係数がレイノルズ数とともに減少し、ナノ粒子の質量分率とともに増加し、圧力損失が摩擦抵抗係数とともに減少することを示しています。その理由は、滑らかなチューブの場合と同様です（図12c、d）。 TiO ₂ -ωの水ナノ流体 =0.5 wt％、ω =0.3 wt％、およびω =0.1 wt％は、らせん状の溝付きチューブ内の水と比較して、層流では20.2、16.5、および12.5％、乱流では10.5、7.7、および2.0％まで摩擦抵抗係数をそれぞれ向上させることができます。乱流の場合の摩擦抵抗係数の増加は、層流の場合よりも小さくなります。

らせん状の溝付きチューブの摩擦抵抗係数と圧力損失。ナノ流体で満たされたらせん状の溝付きチューブの摩擦抵抗係数。摩擦抵抗係数： a 層流と b 乱流;圧力損失： c 層流と d 乱流

TiO ₂ の熱伝達特性 -この論文では、滑らかなチューブとらせん状の溝のあるチューブ内の水ナノ流体を別々に調査します。図16は、滑らかなチューブと、さまざまなレイノルズ数のナノ流体で満たされたらせん状の溝付きチューブのヌセルト数の比較を示しています。 TiO ₂ -ωの水ナノ流体 =0.5 wt％、ω =0.3 wt％、およびω =スパイラル溝付きチューブの0.1wt％は、TiO ₂ と比較して、熱伝達を最大で257.9、245.1、および240.7％向上させることができます。 -それぞれ滑らかなチューブ内の水ナノ流体。また、TiO ₂ -ωの水ナノ流体 =0.5 wt％、ω =0.3 wt％、およびω らせん状の溝付きチューブの=0.1 wt％は、滑らかなチューブの水と比較して、熱伝達をそれぞれ291.3、268.8、および253.1％向上させることができます。 TiO ₂ -らせん状の溝付きチューブ内の水ナノ流体は、滑らかなチューブ内のそれよりも大きな増強があります。

2本のチューブのヌセルト数の比較。異なるレイノルズ数のナノ流体で満たされた滑らかなチューブとらせん状の溝付きチューブのヌセルト数の比較

TiO ₂ の熱水力性能を総合的に分析するために -滑らかなチューブとらせん状の溝付きチューブ内の水ナノ流体、図17は、式（1）に基づいた滑らかなチューブとらせん状の溝付きチューブ内のナノ流体の包括的な分析を示しています。 （12）。らせん状の溝付きチューブの最も高い総合評価指数ξは、約 Re であることがわかります。 =2300は、層流と乱流の間の臨界レイノルズ数です。ヌセルト数と摩擦抵抗係数の増加は、主にナノ粒子、レイノルズ数、およびらせん状の溝付きチューブのスクリュー構造によるものです。らせん状の溝付きチューブの場合、ねじ構造により、ヌセルト数の増加は、小さなレイノルズ数（ Re ）での摩擦抵抗係数の増加よりも大きくなります。 ≤2300）;逆に、ヌセルト数の増加は、大きなレイノルズ数（ Re ）での摩擦抵抗係数の増加よりも小さくなります。> 2300）。また、滑らかなチューブの総合評価指数ξはレイノルズ数とともに増加します。滑らかなチューブにはスクリュー構造がないため、ヌセルト数の増加は常に摩擦抵抗係数の増加よりも大きくなります。図17の結論は、熱水力性能の包括的な評価を考慮すると、熱交換装置のチューブとレイノルズ数を選択する上で非常に重要です。滑らかなチューブの場合、熱水力指数が常にレイノルズ数とともに増加するという要因により、より高いレイノルズ数を選択できます。らせん状の溝付きチューブの場合、最高の熱水力指数の適切なレイノルズ数は約2300です。

2本のチューブの包括的な分析。滑らかなチューブとらせん状の溝付きチューブ内のナノ流体の包括的な分析

結論

TiO ₂ の流れと熱伝達特性 -らせん状の溝付きチューブ内の水ナノ流体が実験的に研究されています。いくつかの結論は次のように得られます：

1. （1）

   TiO ₂ -ナノ粒子の質量分率が異なる水ナノ流体を準備し、TiO ₂ -M =6 wt％、pH =8の水ナノ流体は、透過率が最も低く、安定性が最も高くなります。

2. （2）

   TiO ₂ の場合 -らせん状の溝付きチューブ内の水ナノ流体では、層流よりも乱流の方が熱伝達が大幅に増加し、摩擦抵抗係数がわずかに増加します。

3. （3）

   TiO ₂ -らせん状の溝付きチューブ内の水ナノ流体は、滑らかなチューブ内のそれよりも大きな増強があります。 TiO ₂ -らせん状の溝付きチューブ内の水ナノ流体は、滑らかなチューブ内の熱伝達と比較して、熱伝達を最大で257.9％向上させることができます。

4. （4）

   TiO ₂ の最高の総合評価指標 -らせん状の溝付きチューブと滑らかなチューブの水ナノ流体は異なります。らせん状の溝付きチューブの場合、最高の総合評価指数ξは Re にあります。 =2300は、層流と乱流の間の臨界レイノルズ数です。滑らかなチューブの場合、総合評価指数ξはレイノルズ数とともに増加します。