1．目的及意义

换热器作为工业生产中进行热交换操作的通用设备，广泛应用于各工业部门中生产中。近些年来，随着科学技术的发展，换热器的新型强化传热技术逐渐得到越来越多研究者的青睐。^[1]但低传热性能的换热工质如水、矿物油、乙二醇^[2]、[3]等已成为目前开发新一代高效换热器的主要障碍^[4]，而纳米流体的高导热性恰好可以弥补这一缺陷^[5]。

随着社会各界认识到了纳米流体的优势，研究者纷纷对其进行了大量的财力投入和研究。^[6]-[9]对于不同情况下的纳米流体强化换热，已经有了大量的数值和实验研究。^[10]、[11]除了经典的宏观计算方法外，基于粒子的研究方法包括蒙特卡洛直接模拟（DSMC）、分子动力学（MD）和晶格玻尔兹曼方法(LBM)。^[12]、[13]LBM是一种基于动力学理论的数值模拟流体流动和流体物理建模的有力方法，它已被证明是一种可用于各种复杂流体数值计算的有效工具。^[14]使用LBM的主要好处是编程的简单性、计算的局部性和自然的并行性。^[15]-[17]

国外众多学者对LBM方法以及纳米流体的研究现状：Mohamad and Kuzmin使用LBM方法对自然对流问题进行了详细的分析，他们的研究结果验证了LBM方法在数值模拟方面的高效性。^[18] Mohammad等人使用LBM方法研究了一个开口腔内部的自然对流现象，他们研究了开口端和闭口端的流动传热现象。^[19] Sheikholeslami等人使用LBM方法研究了在磁场作用下，方形冷环与圆形热环之间区域内的自然对流现象，他们的研究结果显示平均努塞尔数是纳米颗粒体积分数和雷诺数的增函数，是哈特曼数的减函数。^[20] Bararnia等人采用LBM方法研究了有加热内置板的腔内纳米流体的自然对流现象，他们对不同的内板倾角和长度也进行了试验研究。^[21] Zarghami等人使用LBM方法研究纳米流体的传热现象，他们主要研究氧化铜纳米流体和氧化硅纳米流体的体积分数对平面泊肃叶流动和向后台阶流动中传热效率的影响，结果显示 ，在涡流区域，导热系数低的纳米颗粒具有更高的传热效率，而在流域外，导热系数高的纳米颗粒具有更高的传热效率。^[22]Yang等人研究了Pe=2.5×10⁵时，在蒸馏水中加入铜颗粒对传热速率的影响，研究结果表明在纳米颗粒体积分数为0.25%、0.5%、1.0%时，传热系数分别提升了9.0%、18.3%和37.9%，并得出在纳米颗粒普朗特数较高时强化传热的效果更加明显。^[23] M.Boudouh等人研究了铜-水纳米流体体积分数为5mg/L、10mg/L、50mg/L时的沸腾对流换热，研究结果表明，在纳米流体体积分数为50mg/1时，传热速率提升了2.7%。并且由于流体表面和内部之间存在温度差异，沸腾起始速度也得到提升。^[24]Peyghambarzadeh等人在汽车散热器中研究了体积分数为0.65%时氧化铁-水纳米流体体积分数对传热速率的影响，与蒸馏水相比，纳米流体的传热速率提升了9%。此外，与蒸馏水相比，纳米流体的应用使得液体以较低的温度从散热器中流出，空气也得以更暖。^[25]

国内众多学者对LBM方法以及纳米流体的研究现状：郭亚丽等人采用LBM方法模拟了封闭方腔内，不同体积分数、不同浮升力参数下纳米流体自然对流时的速度场与温度场的分布，得出了纳米流体换热强度随各参数的变化情况，结果表明，当Ra数较小时换热表现为导热占主导，随着Ra数的增大，换热表现为对流占主导，两者的换热都会随着纳米颗粒体积分数的增加而增强。^[26]李强等人建立了描述纳米流体流动与传热过程的晶格-Boltzmann模型，实现了平板间纳米流体流动与传热过程的LBM并行计算，结果表明，纳米粒子的微运动强化了流体与壁面以及流体内部的换热过程，LBM并行计算方法应用于纳米流体流动传热计算能够提高计算效率。^[27]李九如等人通过自主搭建的实验台架对4种不同浓度的氧化铜-乙二醇纳米流体进行了换热特性测定实验，实验结果表明在基体中加入氧化铜纳米颗粒可以使流体的换热特性得到显著的提升，此外还发现，氧化铜-乙二醇纳米流体质量分数的加大使得管壁温度降低幅度愈加明显，同时换热系数和努塞尔数也有明显的增加。^[28]研究结果都表明，在液体中添加纳米级别的金属或金属氧化物颗粒，可以有效提高液体的导热系数，并且LBM方法在模拟纳米流体能量传递领域具有广阔的应用前景。

从上述综述中可以看出，随着纳米技术的出现和发展，研究其能量传递特性已经成为传热学科中非常重要的研究方向之一。并且LBM方法可以很好的对纳米流体的传热传质进行数值研究。但纳米流体的研究目前还处于初始阶段，它还有很多方面的研究有待完善。并且LBM方法作为一种研究流体流动与能量传递的新方法在逐渐引起人们的重视。因此对纳米流体进行LBM数值研究很有必要。本文将采用LBM方法对管内纳米流体的流动传热进行数值模拟。
{title}

2. 研究的基本内容与方案

{title}

2．1研究内容

换热器作为广泛应用于各工业生产中进行换热的主要设备，其换热能力强化的研究吸引了研究者的注意力。随着研究的不断深入，换热工质的传热性能逐渐称为影响换热器换热性能的主要因素。本文主要研究纳米流体管内流动传热的数学物理模型建立、纳米流体管内流动传热的LBM数值模拟、纳米颗粒对纳米流体管内流动传热的影响等。

2．2研究目标

学习LBM方法的理论知识，通过使用相关软件，应用LBM方法对管内纳米流体流动换热进行数值研究，并将此方法应用至其它问题的研究上。最后对研究结果进行分析讨论，提出优化措施。

2．3技术方案及措施

（1）搜集并研究基于LBM的纳米流体流动与传热的相关文献，完成对所需Boltzmann方程、分布函数推导、迁移和碰撞方程、各种边界条件实施、宏观物理量计算公式的理解。