微通道内CuO纳米流体传热和流动分叉的数值模拟
前言：“纳米流体”一词是由Choi首次使用的，并着重于建模纳米流体的热导率。它的大多数实验研究是在宏观和微观尺度上进行的。铝氧化物-水纳米流体在铜管中的热传递，其间不断维持恒定的热通量。测量了铝氧化物-水纳米流体的热传递，在管子的进口处显示出增强的现象。颗粒物质的迁移减少了热边界层的厚度，并引起了纳米流体热传递的这种行为。
在环状管中研究铜氧化物-水和铝氧化物-水纳米流体，比较了实验研究和均相模型的结果。发现均相模型在热传递增强方面低估了实际情况，特别是在更高的纳米颗粒体积浓度下。
单相和两相模型是纳米流体热传递和流体流动数值研究中常用的模型。在单相模型中，基础流体和颗粒物质的速度和温度相同。在两相模型中，基础流体和颗粒物质被认为是两个不同的相，单相模型中二者都是同一个相，两个相的速度和温度不同。在两相模型的控制方程中，相互作用非常重要。
两相混合模型研究管内纳米流体的混合对流以及用混合模型研究了纳米颗粒大小对纳米流体混合对流的影响。两项研究都观察到随着纳米颗粒尺寸的减小，纳米流体的传热增强。
微通道中使用三种不同的混合模型、均相和欧拉-拉格朗日模型模拟纳米流体流动，所有模型的结果几乎相同。使用单相和两相模型研究管内纳米流体的传热，研究0.2％ CuO-water。并将结果与实验数据进行了比较，结果显示两相模型和实验数据的平均相对误差为8％，而单相模型为16％。
研究的几何形状是不同扩张比的突然扩张微通道，热量传递发生在纳米流体和微通道的等温壁之间。微通道的上游长度和高度，下游长度和高度以及扩张区域后重新附着的长度。
在进口处，水和铜纳米颗粒的混合物以相同的轴向均匀速度进入突然扩张微通道。在出口处，速度边界条件被考虑用于两相的流出。假定两相在壁面处的滑移边界条件相同。
采用有限体积法对控制方程进行了非维数形式的离散化处理，对于对流-扩散项的离散化采用了一阶向上格式。离散化后，控制方程转化为一个代数方程组，并进行迭代求解，使用改进的SIMPLE算法进行压力-速度耦合求解。
确认研究结果是否独立于网格点数量，计算了不同网格点数量和雷诺数下的平均努塞尔数，四个不同网格点数和雷诺数为100时的平均努塞尔数。网格点的平均努塞尔数差别微不足道，选择网格点进行研究。
由于缺乏纳米流体在突然膨胀微通道中的实验，计算了纯水在不同雷诺数下的再附着长度并与结果进行比较，确保研究代码的准确性。在ER = 3时这两个研究的再附着长度的不同值之间有合理的一致性，最大偏差小于4%。
这个黏度出现在固相的雷诺数中，对于不同的固相雷诺数，通过计算试验和误差方法，得到固体黏度的适当值，使得数值解的速度剖面和解析解剖面相吻合。通过试验和误差方法和固体相的雷诺数得到了固体黏度。
对固体黏度的敏感性当改变时，Nusselt数的变化很小。固体黏度的量对结果影响不大，没有必要找到确切的值，固体黏度的值是0.089 Pa·s。
力学方程中包含的三种相互作用力，包括虚拟质量、粒子-粒子相互作用和阻力。对于不同力的条件下计算平均努塞尔数，粒子-粒子相互作用和虚拟质量力对平均努塞尔数影响不大，在高纳米颗粒体积浓度下增加更为显著。
不同纳米颗粒体积浓度下纳米流体平均努塞尔数与纯水相比的增加量，当纳米颗粒体积浓度增加时，纳米流体的传热增强呈非线性增加。纳米颗粒的存在增加了流体的热导率系数，从而导致了纳米流体传热的增强。在Re=100时，相对于Re=50时相应百分比增加量多出7.6%的现象。
临界雷诺数随着微通道膨胀比的增加而减小，分叉点向左移动。雷诺数更高时，再附着长度的第二个临界雷诺数出现三点分叉。
欧拉-欧拉建模结果显示，在与纯水相比的热传递增强方面，其效果更好，例如2％的铜水纳米流体，热传递增强率高达35％。平均努塞尔数随着雷诺数和纳米颗粒体积浓度的增加而增加，并随着微通道的扩张比的减小而减小。
对于恒定的体积浓度，较低的雷诺数会导致更大的平均努塞尔数比。分岔的临界雷诺数随着微通道扩张比的增加而减小。微流控器件的重要性和发展使得研究纳米流体在突变扩张微通道中的流动和传热变得如此重要和实用，可以很好地使用两相模型。
结论：铜氧纳米流体在具有等温壁面和不同扩张比的突变扩道中的层流强迫对流。欧拉双流体模型来模拟微通道内的纳米流体流动，并使用有限体积法求解了两相的质量、动量和能量方程。欧拉-欧拉双相模型由于考虑了相对速度、温度和纳米颗粒浓度分布而非常高效。
随着雷诺数和纳米颗粒体积浓度的增加，传热增强性能增加，而压降仅略微增加。对微通道扩张比的研究表明，平均努塞尔数随着扩张比的降低以及雷诺数的增加而增加。分叉发生在较高的雷诺数，而每个微通道扩张比的分叉点不同。
