在固定和可变磁场条件下，对Fe3O4-水铁磁流体在封闭容器内的自然对流传热进行实验研究

《Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part C: Journal of Mechanical Engineering Science》：Experimental investigation of natural convection heat transfer in a Fe3O4–water ferrofluid within a closed enclosure under fixed and variable magnetic fields

　　

摘要

随着对具有增强传热机制的热能和制冷系统需求的增加，铁磁流体在磁场作用下的自然对流现象具有重要意义。尽管之前的研究已经探讨了封闭腔体内的铁磁流体，但在零磁场、恒定磁场和渐进式时变磁场条件下的直接实验对比仍然有限，特别是对于同时受到热壁固定热流和冷壁恒定温度影响的单组分Fe₃O₄–水铁磁流体。本研究的创新之处在于在相同热边界条件下，对铁磁流体浓度、磁场模式和磁场 excitation 强度进行了受控的实验比较。在本研究中，评估了基础流体和水-Fe₃O₄ 铁磁流体在恒定和变磁场环境中的自然对流行为。为此，构建了一个实验装置，并通过测量自然对流系数、分析努塞尔数（Nusselt number）和瑞利数（Rayleigh number）以及评估磁场效应强度来评价样品的热性能。研究结果表明，在没有磁场的情况下，添加纳米颗粒并提高铁磁流体浓度会导致对流换热系数和努塞尔数的降低。这种行为是由于粘度增加以及浮力驱动的流体运动受到抑制所致。对于基础流体，两种磁场模式都能提高传热效率，其中恒定磁场的效果优于渐进式时变磁场。相比之下，对于Fe₃O₄-水铁磁流体，两种磁场的应用反而会导致传热效率降低。虽然时变磁场造成的性能下降程度小于恒定磁场，但在测试条件下，增强磁场 excitation 强度会系统性地降低对流换热系数，并减弱铁磁流体的努塞尔数响应，表明磁场诱导的流动阻力抑制了浮力驱动的循环。因此，本研究结果表明，铁磁流体在自然对流中的热性能不仅仅取决于磁场的存在，还取决于浓度相互作用、流体粘度、磁场类型及其强度。因此，为了改善这些系统的热性能，需要同时优化磁场条件和流体组成的选择。

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