使用Al2O3和SiO2纳米流体增强喷射冲击淬火过程中的临界热流密度和传热效率

《Scientific Reports》：Enhancement of critical heat flux and heat transfer during jet impingement quenching using Al2O3 and SiO2 nanofluids

　　

摘要

喷流冲击淬火在高温热流冷却应用中得到广泛应用，如热处理、核安全以及电子产品热管理领域。尽管已知纳米流体能够提升热传递效率，但在相同条件下，纳米流体淬火与去离子（DI）水淬火在纳米粒子沉积表面上的性能对比仍缺乏充分研究。本研究探讨了使用浓度为0.01%（v/v）的Al₂O₃和SiO₂纳米流体对临界热流（CHF）和最大热传递系数（MHTC）的增强效果，以及纳米粒子表面沉积的影响。实验在壁温200–300°C、质量流量4–9 g/s的条件下进行。结果表明，SiO₂纳米流体的热性能最佳，在MHTC上提升了高达60%，在CHF上相比去离子水淬火提高了近35%；Al₂O₃纳米流体在类似条件下的MHTC提升幅度为40%，CHF提升幅度为25%。此外，在纳米粒子沉积表面上进行去离子水淬火时，SiO₂的MHTC提升了50%，Al₂O₃的MHTC提升了30%。实验结果证明，纳米粒子诱导的表面纳米化纹理可以有效提升淬火效果，同时避免了连续使用纳米流体所带来的稳定性问题。由于仅使用去离子水在SiO₂沉积表面上进行淬火即可恢复大部分纳米流体带来的性能提升（MHTC提升幅度为50% vs. 60%），因此在整个运行过程中维持纳米流体悬浮状态的额外收益相对较低（约10%）。关于这种在微小性能提升与纳米流体制备带来的成本和复杂性之间的权衡，将在结论部分进一步讨论。