（材料学专业论文）应用于热管的纳米流体热物性参数的研究.pdf

at h e s i ss u b m i t t e dt ot h eu n i v e r s i t yo fj i n a n i np a r t i a lf u l f f i l m e n to ft h er e q u i r e m e n t s f o rt h ed e g r e eo fm a s t e ro fe n g i n e e r i n g u n i v e r s i t yo fj i n a n j i n a n ，s h a n d o n g ，p r c h i n a m a y2 9 ，2 0 1 0 关于学位论文使用授权的声明 独立进行 包含任何 作出重要 识到本声 本人完全了解济南大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留 或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅 和借鉴；本人授权济南大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关 数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文和汇编 本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：够姗i o 厶 导师签名：童蔓箜琳日期：五丛生碰 1 2 2 1 纳米流体粘度研究3 1 2 2 2 纳米流体表面张力研究8 1 2 2 3 纳米流体导热系数研究8 1 2 2 4 其他物性参数的研究1 0 1 2 3 纳米流体在热管中的应用研究。1 2 1 3 本论文研究的主要工作1 5 第二章纳米流体的制备及稳定性分析1 7 2 1 实验原料与设备。1 7 2 1 1 实验采用的原料和试剂1 7 2 1 2 实验采用的仪器设备。1 7 2 2 实验过程18 2 2 1 砧2 0 3 纳米颗粒表征18 2 2 1 1 透射电镜分析1 8 2 2 1 2x 射线衍射分析1 9 2 2 2 解决纳米流体悬浮稳定性的方法1 9 2 2 3 砧2 0 3 水纳米流体制备方法2 0 2 2 4 正交试验制备a 1 2 0 3 水纳米流体2 1 2 3 纳米流体悬浮稳定性分析方法2 1 2 4 结果分析2 3 应用于热管的纳米流体热物性参数的研究 2 4 1 正交试验数据处理及分析2 3 。 2 4 2m 2 0 3 水纳米流体悬浮稳定性分析2 6 2 4 2 1 超声振动时间对a 1 2 0 3 水纳米流体z e t a 电位的影响2 7 2 4 2 2 分散剂对a 1 2 0 3 水纳米流体z e t a 电位的影响2 7 2 4 2 3p h 值对a 1 2 0 3 水纳米流体z e t a 电位的影响2 8 2 4 2 4 超声振动时间对a 1 2 0 3 水纳米流体中a 1 2 0 3 粒径的影响2 8 2 4 2 5 超声振动时间对a 1 2 0 3 水纳米流体稳定时间的影响2 9 2 5 纳米流体悬浮稳定性机理分析2 9 2 5 1 粒子间的范德瓦耳斯引力势能一2 9 2 5 2 双电层的斥力势能3 0 2 5 3 粒子间的相互作用势能3l 2 5 4 分散剂的作用机理3 1 2 5 5 纳米粒子和基液性质对纳米流体稳定性的影响一3 3 2 6 本章小结3 3 第三章纳米流体粘度研究：3 5 3 1 实验过程3 5 3 1 1 实验样品制备3 5 3 1 2 实验仪器及工作原理3 5 3 2 实验结果分析3 6 3 2 1a 1 2 0 3 水纳米流体的流变特性3 6 3 2 2 体积分数对a 1 2 0 3 水纳米流体粘度的影响3 7 3 2 3 粒径对a 1 2 0 3 水纳米流体粘度的影响3 8 3 2 4 温度对a 1 2 0 3 水纳米流体粘度的影响。3 8 3 2 5 实验测量值与理论值的比较。4 0 3 3 纳米流体粘度的作用机理分析4 1 3 4 本章小结4 2 第四章纳米流体表面张力研究4 3 4 1 实验过程4 3 4 1 1 实验样品的制备4 3 4 1 2 实验仪器及工作原理4 3 h 济南大学硕十学位论文 i i i i i i |i i | i i i i i i i i i 4 2 实验结果分析4 5 4 2 1 体积分数对a 1 2 0 3 水纳米流体表面张力系数的影响4 5 4 2 2 粒径对a 1 2 0 3 水纳米流体表面张力系数的影响4 6 4 2 3 温度对a 1 2 0 3 水纳米流体表面张力系数的影响4 6 4 3 表面张力机理分析4 8 4 3 1 物质种类对表面张力的影响。4 8 4 3 2 界面影响。4 8 4 3 3 温度对表面张力的影响4 8 4 3 4 密度对表面张力的影响。4 9 4 3 5 压力对表面张力的影响4 9 4 4 本章小结4 9 第五章纳米流体导热系数研究5 1 5 1 实验过程5 l 5 1 1 实验样品的制备5 1 5 1 2 实验仪器及工作原理5 1 5 2 实验结果分析5 2 5 2 1 体积分数对a 1 2 0 3 水纳米流体导热系数的影响5 2 5 2 2 粒径对a 1 2 0 3 一水纳米流体导热系数的影响：一5 3 5 2 3 温度对a 1 2 0 3 水纳米流体导热系数的影响一5 3 5 3 纳米流体导热系数的作用机理分析一5 5 5 3 1 小尺寸效应和布朗运动的影响一5 5 5 3 2 颗粒团聚的影响5 5 5 3 3 固液界面液膜层内液体分子规则排列的影响5 6 5 4 本章小结5 6 第六章其他热物性参数的研究5 7 6 1 纳米流体相变( 速率、潜热) 研究5 7 6 1 1a 1 2 0 3 水纳米流体热重分析5 8 6 1 1 1a 1 2 0 3 - 水纳米流体与水的热重对比5 8 6 1 1 2 体积分数对a 1 2 0 3 水纳米流体热重的影响5 9 6 1 1 3 粒径对砧2 0 3 水纳米流体热重的影响5 9 l i i 应用于热管的纳米流体热物性参数的研究 1 , i i-ii_ iii i ii_ i 6 1 2a 1 2 0 3 水纳米流体汽化潜热分析6 0 6 2 纳米流体密度的研究6 3 6 2 1 体积分数对灿2 0 3 水纳米流体密度的影响6 3 6 2 2 实验测量值与理论值比较6 3 6 3 纳米流体沸点的研究“ 6 4 本章小结6 5 第七章应用于热管的纳米流体综合热物性研究6 7 7 1 纳米流体综合热物性研究6 7 7 2 本章小结：6 8 第八章结论与展望6 9 8 1 结论6 9 8 2 展望7 0 参考文献7 1 至i 谢8l 附录a 攻读硕士学位期间发表的论文8 3 附录b 攻读硕士学位期间参加的课题研究8 5 济南大学硕士学位论文 摘要 随着纳米科技的快速发展，纳米材料已被应用到传热领域中，孕育而生了“纳米 流体”的概念。纳米流体是指以一定的方式和比例在液体中添加纳米级金属、非金属 或聚合物固体粒子以构成一种新型的传热工质，这种新传热工质可用于换热设备中替 代传统的工质。热管作为换热设备中的一种高效传热元件，将纳米流体应用于其中可 显著改善传热性能。因此，对应用于热管的纳米流体热物性参数的研究是将纳米技术 应用于热能工程的创新性研究，具有重要的工程应用价值。 本文以砧2 0 3 水纳米流体作为热管的工作介质，通过测试其各种热物性参数，来 研究a 1 2 0 3 纳米颗粒的加入如何改变工作介质的热物性参数以及对热管传热能力的影 响。其主要研究内容为： 首先，通过透射电子显微镜、x 射线衍射仪对灿2 0 3 纳米颗粒进行了表征，采用 两步法制备了两种粒径( 4 0 n m 、6 5 n m ) 、五种体积分数( o 1 0 5 ) 的a 1 2 0 3 水纳米 流体。为了制备悬浮稳定的纳米流体，采用l 9 ( 3 4 ) 正交试验进行分析，得出了最佳工 艺参数为：p h 值为8 、超声振动时间为3 h 、不添加分散剂、磁力搅拌时间为3 0 m i n 。 并通过z e t a 电位分析仪、激光粒度分析仪等分析了超声振动时间、分散剂、p h 值等 对a 1 2 0 3 水纳米流体悬浮稳定性的影响，得出：p h 值为8 、超声振动时间为3 h 、分 散剂添加量为0 0 2 时，a 1 2 0 3 一水纳米流体的悬浮稳定性最好。并对其悬浮稳定性作 用机理进行了一定的理论分析。 其次，采用旋转粘度计、全自动界面张力仪、k d2p r o 导热系数仪、热重差热联 用仪等仪器对a 1 2 0 3 一水纳米流体在不同条件下的粘度、表面张力系数、导热系数、热 重、汽化潜热、密度、沸点等热物性参数进行了测量，结果发现：a 1 2 0 3 水纳米流体 的粘度随着纳米颗粒体积分数的增加而增加，随着温度的升高而减小，随着颗粒尺寸 的减小而增大；a 1 2 0 3 水纳米流体的表面张力系数随着体积分数的增加而减小，随着 颗粒粒径的减小而减小，随着温度的升高而减小；砧2 0 3 水纳米流体的导热系数随着 体积分数的增加而增加，随着颗粒粒径的减小而增大，随着温度的升高而增大；2 0 3 水纳米流体的相变速率随着颗粒体积分数的增加而增大，而颗粒粒径对其基本没影 响；a 1 2 0 3 水纳米流体的汽化潜热随着颗粒体积分数的增加而减小；a 1 2 0 3 水纳米流 v 厦用于热管的纳米流体热物忭参数的研究 体的密度随着颗粒体积分数的增加而增大；a 1 2 0 3 水纳米流体的沸点随着颗粒体积分 数的增加而减小。并对各热物性参数的作用机理进行了一定的理论分析。 最后，分析了应用于热管的灿2 0 3 水纳米流体工作介质的综合热物理性质。结果 表明a 1 2 0 3 水纳米流体具有较好的综合热物理性质，适合做热管的工作介质；与水相 比，其传输因素提高了3 2 1 4 9 ，具有较好的传热性能。 关键词：热管；纳米流体；粘度；表面张力系数；导热系数 p i p ei si n n o v a t i v er e s e a r c ho fa p p l i n gn a n o t e c h n o l o g yi nt h et h e r m a le n g i n e e r i n g , i th a st h e i m p o r t a n tp r o j e c ta p p l i c a t i o nv a l u e i nt h i sp a p e r , t h ea 1 2 0 3 - w a t e rn a n o f l u i dw a su s e dt ot h eh e a ti a i p ew o r k i n g m e d i u m , a n d t h r o u g ht e s t i n gi t sv a r i o u st h e r m a lp a r a m e t e r s ，t h ee f f e c t so ft h ea d d i t i o n o fa 1 2 0 3 n a n o p a r t i c l e so nt h et h e r m a lp a r a m e t e r so fw o r k i n gf l u i da n dh e a tt r a n s f e ra b i l i t yo f h e a tp i p e w e r es t u d i e d t h em a i nr e s e a r c hc o n t e n t sa r ea sf o l l o w s ： f r i s t l y , t h ea 1 2 0 3n a n o p a r t i c l e s w e r ec h a r a c t e r i z e d b yt r a n s m i s s i o n e l e c t r o n m i c r o s c o p y , x - r a yd i f f r a c t i o n ，t w op a r t i c l es i z e s ( 4 0 n m ，6 5 n m ) a n df i v ev o l u m ef r a c t i o n s ( o 1 0 5 ) o fa 1 2 0 3 一w a t e rn a n o f l u i d sw e r ep r e p a r e db yt h et w o s t e pm e t h o d i no r d e r t op r e p a r es t a b l en a n o f l u i d ss u s p e n d e d ，t h et 4 3 珥) o r t h o g o n a le x p e r i m e n tw a se m p l o y e dt o a n a l y s i s ，t h eo p t i m u mp r o c e s sp a r a m e t e r sa r e ：p hv a l u eo f8 ，u l t r a s o n i cv i b r a t i o nt i m eo f 3 h ，n o ta d dt h ed i s p e r s i n ga g e n t ，m a g n e t i cs t i r r i n gt i m eo f3 0 m i n b yu s i n gz e t ap o t e n t i a l a n a l y z e r , l a s e rp a r t i c l es i z ea n a l y z e r , t h ei n f l u e n c e so ft h et i m eo ft h eu l t r a s o n i cv i b r a t i o n , d i s p e r s i n ga g e n t , p hv a l u eo nt h es u s p e n s i o ns t a b i l i t ya 1 2 0 3 一w a t e rn a n o f l u i d sw e r es t u d i e s ， t h eo b t a i n e dr e s u l t sa r e ：t h es u s p e n s i o ns t a b i l i t yo f a 1 2 0 3 - w a t e rn a n o f l u i di sb e s tw h e nt h e p hv a l u ew a s8 ，u l t r a s o n i cv i b r a t i o nt i m ew a s3 h ，d i s p e r s i o na g e n tw a s0 0 2 t h e m e c h a n i s mo ft h es u s p e n s i o n s t a b i l i t yw a st h e o r e t i c a l l ya n a l y z e da sw e l l s e c o n d l y , v i s c o s i t y , s u r f a c et e n s i o n , t h e r m a lc o n d u c t i v i t y , h e a tw e i g h t ，l a t e n th e a to f v h 应用于热管的纳米流体热物性参数的研究 v a p o r i z a t i o n , d e n s i t y , b o i l i n gp o i n ta n d o t h e rt h e r m a l p a r a m e t e t sf o ra 1 2 0 3 - w a t e r n a n o f l u i d su n d e rd i f f e r e n tc o n d i t i o n sw e r em e a s u r e db yr o t a t i n gv i s c o m e t e r , a u t o m a t i c s u r f a c et e n s i o nm e t e r , k d2p r ot h e r m a lc o n d u c t i v i t ym e t e r , t h e r m o g r a v i m e t r i cd i f f e r e n t i a l t h e r m a ls p e c t r o m e t e ra n do t h e ri n s t r u m e n t s t h er e s u l t ss h o w e dt h a t ：t h ev i s c o s i t yo f a 1 2 0 3 - w a t e rn a n o f l u i di n c r e a s e sw i t hi n c r e a s i n gt h ev o l u m ef r a c t i o no fn a n o p a r t i c l e s ， d e c r e a s e sw i t hi n c r e a s i n gt e m p e r a t u r e ，i n c r e a s e sw i t hd e c r e a s i n gp a r t i c l es i z e ；t h es u r f a c e t e n s i o nc o e f f i c i e n to fa 1 2 0 3 - w a t e rn a n o f l u i dd e e r e a s 销w i t hi n c r e a s i n gv o l u m ef r a c t i o n ， d e c r e a s i n gp a r t i c l es i z e , a n di n c r e a s i n gt e m p e r a t u r e ，r e s p e c t i v e l y ；t h et h e r m a lc o n d u c t i v i t y o fa 1 2 0 3 - w a t e rn a n o f l u i di n c r e a s e sw i t hi n c r e a s i n gv o l u m ef r a c t i o n ，d e c r e a s i n gp a r t i c l e s i z e ，a n di n c r e a s i n gt e m p e r a t u r e , r e s p e c t i v e l y ；t h ep h a s et r a n s i t i o nr a t eo fa 1 2 0 3 一w a t e r n a n o f l u i di n c r e a s e sw i t hi n c r e a s i n gt h ep a r t i c l ev o l u m ef i a c t i o n ，t h ep a r t i c l es i z ed i dn o t a f f e c ti t sb a s i c ；t h el a t e n th e a to fe v a p o r a t i o no fa 1 2 0 3 - w a t e rn a n o f l u i di n c r e a s e sw i t h d e c r e a s i n gt h ep a r t i c l ev o l u m ef r a c t i o n ；t h en a n o f l u i d sd e n s i t yo fa 1 2 0 3 - w a t e ri n c r e a s e s w i t hi n c r e a s i n gt h ev o l u m ef r a c t i o no fp a r t i c l e s ；t h eb o i l i n gp o i n to fa 1 2 0 3 一w a t e rn a n o f l u i d d e c r e a s e sw i t hi n c r e a s i n gv o l u m ef r a c t i o no fp a r t i c l e s t h em e c h a n i s mo ft h ee v e r y t h e r m a lp a r a m e t e rw a st h e o r e t i c a l l ya n a l y z e d 鹊w e l l 济南大学硕：f = 学位论文 1 1 引言 第一章绪论 随着科学技术的飞速发展和能源问题的日益突出，热交换设备的传热负荷和传热 强度日益增大，低传热性能的换热工质很难满足这些条件下的传热要求。因此开发新 型传热性能好的换热工质迫在眉睫。 九十年代后，研究人员开始探索将纳米材料技术应用于强化传热领域，研究新一 代高效传热技术。美国a r g o n n e 国家实验室的c h o i 等【l 】在1 9 9 5 年提出了一个崭新的 概念一纳米流体，即将1 , l o o n m 的金属或者非金属粒子悬浮在基液中形成稳定悬 浮液。研究表明，这种稳定悬浮液与传统的纯液体相比，由于粒子与粒子、粒子与液斋 体、粒子与壁面间的相互作用及碰撞，破坏了流动层流底层，减小了传热热阻，增强 了流动湍流强度，显著增大了导热系数，提高了热交换系统的传热性能；与毫米或微 米级悬浮液相比，由于在粒子体积含量相同情况下，纳米粒子的表面积远大于毫米或 微米级粒子的表面积，同时由于纳米粒子的小尺寸效应，其行为接近于液体分子，不 象毫米或微米级粒子易产生磨损或堵塞等不良结果，因此，纳米流体的导热系数大于蛳 添加了毫米或微米级固体粒子的液体的导热系数，且更适于实际应用。 基于纳米颗粒的特点和其组成的纳米流体特性，纳米流体可以广泛应用到热能工 程领域中。它可以使发动机在更优化的温度下工作；使热交换系统做得更小、更轻， 有利于保护环境；可以满足电子和仪器领域对超高性能制冷的需要；可以提高当前工 业制冷系统的换热能力，降低从太阳能收集器到存储箱间的热交换；可以作为磨床和 抛光机器的冷却剂等。 热管作为热能工程领域中的高效传热元件，它依靠自身内部工作液体相变来实现 热量传递，可将大量热量通过其很小的截面积远距离地输送而无需外加动力。典型热 管结构如图1 1 所示。热管由管壳、吸液芯和端盖组成，管内被抽成1 3 x ( 1 0 l 1 0 4 ) p a 的负压后充以适量的工作液体，使紧贴管内壁的吸液芯毛细多孔材料中充满液体后加 以密封。管的一端为蒸发段，另一端为冷凝段，中间可布置绝热段。当热管的一端受 热时毛细芯中的液体蒸发汽化，蒸汽在微小的压差下流向另一端放出热量凝结成液 体，液体再沿多孔材料靠毛细力的作用流回蒸发段，如此循环不已，热量由热管的一 应用于热管的纳米流体热物性参数的研究 端传至另一端。 管壁吸液芯 ，- 一a t ttttl l 上上上上上 蒸发段j 绝热段。l 冷凝段 。 l a 蒸汽腔 图i i 热管典型结构 目前热管常用的工作介质有己烷、丙酮、乙醇、甲醇、甲苯、水。近几年来，一 些专家学者已开展将纳米流体应用于热管的相应研究工作中，并取得了一定的成果。 结果表明，将纳米流体应用于热管中会显著地改善热管的传热性能。本课题就是围绕 应用于热管内的纳米流体工作介质展开工作研究。 在众多的纳米流体中，由于砧2 0 3 水纳米流体的性能稳定、成本较低、适用范围 广，因此，本论文以a 1 2 0 3 水纳米流体为主要热管工作介质，对其热物性参数进行研 究。该研究将会推动热管在化工冶金、航天航空、船舶、电子等领域的应用，具有重 要的工程应用价值。 1 2 纳米流体国内外研究现状 1 2 1 纳米流体制备的研究 c h o i 掣2 l 采用单步物理方法，将c h 蒸气和流动的低蒸气压基液乙二醇直接接触 混合，制备出稳定性较好的c u - 乙二醇纳米流体。 l o 等【3 】通过气相沉积法制备了c u o 水纳米流体。 朱海涛等【4 】采用一步湿化学法，把纳米颗粒的湿化学制备与纳米流体的制备结合 在一起，制备了c u - 7 , - - 醇纳米流体。在微波辐射条件下以次亚磷酸钠( n a i l 2 p 0 2 h 2 0 ) 为还原剂在乙二醇中还原五水硫酸铜( c u s 0 4 5 h 2 0 ) 来制备悬浮稳定无团聚的c u 乙二醇纳米流体。 l i u 等【5 】首次应用化学还原法合成c u - 水纳米流体。即以乙酸铜( c u ( c h 3 c o o ) 2 ) 做前驱体，将其分散于去离子水中，并在5 5 。c 以下、氮气保护下均匀搅拌该溶液。 以肼( n 2 h 4 ) 作为还原剂，在搅拌机搅拌下将一定量的肼溶液缓慢加入到乙酸铜溶液 中，直至溶液混合均匀。再将混合液冷却至o c ，静置沉淀。然后用去离子水慢慢清 2 济雨大学帧：f ：掌位论文 洗混合液，除去杂质，分散于水中制备成c u - 水纳米流体。 王涛掣6 】采用醇盐水解法制备了可控粒径和浓度的s i 0 2 h 2 0 纳米流体。通过控 制不同的水解条件，可以获得颗粒直径从几纳米到几十纳米以上的、组成均匀的高纯 纳米s i 0 2 颗粒，其原理是在醇介质中氨催化水解正硅酸乙酯( s i ( o c 2 h 5 ) 4 ) 来制备 s i 0 2 。 李泽梁等【7 】采用两步法，通过调节p h 值、添加分散剂( 十二烷基苯磺酸钠和阿 拉伯树胶) 、超声振动等手段制备了c u o 纳米颗粒悬浮液。 z h a n g 掣8 】采用两步法，通过超声分散和添加分散剂的方法制备出了稳定的c u o 纳米流体。 李新芳等【明采用两步法制备了c i u 水纳米流体。实验中发现不使用分散剂时，超 声振荡对改善c u 水纳米流体的稳定性基本上没有影响，脱离超声波水浴后，颗粒会 立刻发生沉淀。造成上述实验结果的差异的原因可能是由于超声振荡时间或纳米颗粒 的直径不同。可见，只超声振荡而不使用分散剂对所制备的纳米流体稳定性的影响程 度还有待于进一步研究。 h o n g 等【1 0 】通过两步法，将f e 纳米晶粉末直接分散于e g ( 乙二醇) 中，制备了 f e - e g 纳米流体。 m u r s h e d 等【l l 】采用两步法制备了t i 0 2 一h 2 0 纳米流体。 x i e 等【1 2 】通过两步法制备了a 1 2 0 3 h 2 0 、a 1 2 0 3 e g 、a 1 2 0 3 p o 纳米流体。 c h o i 等【1 3 】和“u 等【1 4 】用两步法制备合成了以碳纳米管为添加物的纳米流体。 1 2 2 纳米流体热物性参数的研究 1 2 2 1 纳米流体粘度研究 l e e 等将a 1 2 0 3 水( a h 0 3 粒径) b 2 s 3 5 n m ) 纳米流体作为研究对象，测量其粘 度，发现：粘度随着温度的升高而显著降低。在低体积分数( o 0 l 0 3 ) 范围内， 还发现甜2 0 3 一水纳米流体的粘度与纳米颗粒体积分数呈非线性关系，这与e i n s t e i n 粘度 模型的预测呈线性关系不一致，超出- e i n s t e i n 模型预测。 谢华清掣1 6 1 实验测量了a 1 2 0 3 一水、a 1 2 0 3 一乙二醇纳米流体的粘度，理论分析了颗 粒体积分数、基液、纳米颗粒的聚集、p h 值等对粘度的影响。发现：纳米颗粒添加 到基液中导致粘度增大，且增大比例随颗粒体积分数的增加而增大；纳米流体的粘度 测量值远远大于相应的理论公式预测值。同时还发现乙烯乙二醇基悬浮液的粘度增大 3 应用于热管的纳米流体热物性参数的研究 比例小于水基悬浮液的粘度增大比例，说明基液对纳米颗粒悬浮液的粘度有重要影 响；颗粒聚集使纳米流体有较大的粘度。 “等【1 7 】用流变仪测量了a 1 2 0 3 水( a 1 2 0 3 平均粒径为4 0 n m ) 纳米流体的粘度，发 现：纳米流体的粘度远高于微米流体的粘度，且随颗粒体积分数的增加和颗粒尺寸的 减小而增加；在纳米流体中添加少量的低分子糖类，如蔗糖和果糖，会有效降低纳米 流体的粘度。 范庆梅等【1 8 】通过分子动力学模拟计算了a 1 2 0 3 水( a 1 2 0 3 粒径为2 8 n m ) 纳米流 体的粘度，与已有的粘度实验值比较，吻合较好，表明用分子动力学模拟计算材料的 热物性是可靠的。进一步对舢2 0 3 水纳米流体粘度随颗粒体积分数的变化进行模拟， 并将结果与b r i n k - m a n 理论公式进行比较，发现加入纳米颗粒，纳米流体的粘性比基 液大，加入纳米颗粒越多，颗粒的体积分数就越大，纳米流体得粘度就越大。对于纳 米流体粘度随颗粒体积分数的变化，分子动力学模拟的结果与b r i n k g - m a n 理论公式 测算的结果相比，变化速度更快些。 d a s 等【1 9 】将a 1 2 0 3 一水( a 1 2 0 3 平均粒径为3 8 n m ) 纳米流体作为研究对象，测量它在 不同剪切速率下的粘度。发现：粘度随颗粒体积分数的增加而增加，随温度的升高而 降低；进一步研究发现纳米流体在某些情况下是非牛顿流体。 h e f t s 掣2 0 】采用流变仪在不同剪切速率条件- v n $ _ t a l 2 0 3 一水( 砧2 0 3 平均粒径为 2 0 n m ) 纳米流体和c u o 水( c u o 平均粒径为5 0 - 6 0 n m ) 纳米流体的粘度，并通过e i n s t e i n 粘度模型预测其粘度，发现粘度实验测量值远高于理论模型预测值。还发现砧2 0 3 一水 纳米流体和c u o 水纳米流体的粘度随着纳米颗粒体积分数的增加而增加，且c u o 水 纳米流体粘度的增加高于a 1 2 0 3 水纳米流体粘度的增加。分析其原因可能是由于c u o 纳米颗粒的颗粒尺寸较大造成的。当纳米颗粒体积分数为3 0 时，两种纳米流体都可 被视为牛顿流体。 何清政等【2 l 】通过实验研究证明t a l 2 0 3 水纳米流体的有效动力粘度的不确定性 与采取的不同准则有关，运用b r i n k - m a n 、m a i g a 两种理论公式估算得到的纳米流体动 力粘度的增大存在很大差异，导致在封闭系统中使用纳米流体的传热效能出现矛盾的 结果；同时还发现纳米流体粘度的测量值远大于传统混合模型的预测值。 p u t r a 等【捌同样将砧2 0 3 水( a 1 2 0 3 平均粒径为1 3 1 2 n m ) 纳米流体作为研究对象， 测量它在不同剪切速率下的粘度。同样发现：纳米流体的粘度随颗粒体积分数的增加 而增加，其粘度远大于基液水的粘度，但在性质上却为牛顿流体。 4 济南大学硕f ：学位论文 帅美琴等【2 3 】在研究三种不同体积分数、不同性质的f e ( f e 平均粒径为2 6 n m ) 及a 1 2 0 3 ( a 1 2 0 3 平均粒径为1 3 n m ) 纳米流体池内沸腾现象时，发现：纳米颗粒的加 入，增大了纳米流体的粘度。 p a k 和c h o i 等【2 4 1 实验研究了a 1 2 0 3 水纳米流体的粘度，发现：纳米流体的粘度 比基液水增加了3 倍。说明纳米流体的粘度可能与纳米颗粒的制备、体积分数、分散 及稳定悬浮的方法等密切相关。 w a n g 等t 2 5 】通过实验测量了a 1 2 0 3 水、砧2 0 3 乙二醇( a 1 2 0 3 平均粒径为2 8 n m ) 纳 米流体的相对粘度，发现：相对粘度都随纳米颗粒体积分数的增加而增加且趋势相似。 当纳米颗粒分散较好时，纳米流体的粘度较低；当a 1 2 0 3 纳米颗粒体积分数为3 时， 形成的纳米流体相对粘度比基液水提高t 2 0 - - 一3 0 。与p a k 和c h o i 1 8 】的实验结果对比， 发现：分散技术和颗粒尺寸对纳米流体的相对粘度有重要影响。 彭小飞掣2 6 】实验测量了在不同纳米颗粒( c u o 、a 1 2 0 3 、c u 、a l 、a 1 n 、s i 0 2 、t i 0 2 、 c u c ，其粒径分别为2 0 n m 、5 0 n m 、9 0 n m ) 、温度、p r i 值和分散剂条件下的纳米流体 的粘度，发现：颗粒尺寸越小、体积分数越大的纳米流体粘度越大；分散剂质量分数 越大，纳米流体的粘度就越大；控制p h 值使纳米流体的分散效果达到最佳，这时的 纳米流体粘度最大。还发现纳米流体的粘度较基液有一定程度的增加，增加比例在 1 0 0 2 一- 1 1 8 2 之间。并提出纳米流体粘度的修正公式，在低体积分数条件下，该公式 能较好地测算出纳米流体的粘度。 孕 m a i g a 等 2 7 1 实验测量了丫a 1 2 0 3 水纳米流体的粘度，并运用b a t c h e l o r 、e i n s t e i n 、 b r i n k m a n 等粘度模型进行预测，发现：2 0 3 水纳米流体实验测量值远高于粘度模型 预测值。 李强等【2 8 墟过实验测量了不同颗粒尺寸的c u - 水、砧机油、砧水、c u 乙二醇( c u 粒径为2 0 n m 、2 6 n m 、1 0 0 n m ，a 1 粒径为2 0 n m ) 几种纳米流体的粘度。发现：纳米 颗粒改变了纳米流体的粘度，纳米流体的粘度随着颗粒体积分数的增加而增大，但对 于不同的纳米流体，其增大的比例是不同的。进一步研究表明纳米颗粒的属性、尺度 以及基液的性质也是影响纳米流体粘度的重要因素。 p r a s h e r 掣2 9 1 实验分析了剪切速率、温度、纳米颗粒尺寸、纳米颗粒体积分数对 砧2 0 3 一丙二醇( a 1 2 0 3 粒径为2 7 n m 、4 0 n m 、5 0 n m ) 纳米流体粘度的影响，发现：纳 米流体是牛顿流体，其粘度与纳米颗粒没有很强的函数关系；相对粘度与温度无关， 而与纳米颗粒体积分数有很强的函数关系。实验测得的纳米流体粘度值远高于 应用于热管的纳米流体热物性参数的研究 曼曼量皇i - - 一ii i _ _ _ 一i 皇皇曼曼皇曼曼鼍曼量曼曼皇曼曼曼皇曼曼量曼鼍 e i n s t e i n 模型的预测值，这可能是由于纳米颗粒的聚集造成的。还发现粘度的相对增 加比导热性能的相对增加大4 倍多，导致纳米流体比基液的导热性能更差。当粘度系 数与导热系数比值小于4 时，将纳米流体作为换热工质其导热性能比基液好。 n g u y 铋等【3 0 】通过实验发现：当纳米颗粒体积分数小于4 时，粒径分别为3 6 n m 和4 7 n m 的a 1 2 0 3 水纳米流体的粘度大约相同；当体积分数较高时，粒径为4 7 n m 的纳 米流体粘度明显大于粒径为3 6 n m 的纳米流体粘度；c u o - 水( c u o 粒径为2 9 n m ) 纳米 流体的粘度是纳米流体粘度测量值中最高的。通过测量还发现，纳米流体的动力粘度 在一定温度下随着颗粒体积分数的增加而增加，但在一定颗粒体积分数下随着温度的 增加而降低。并首次提出关于纳米流体磁滞现象的粘度测量。 刘玉东等【3 l 】测量了t i 0 2 水( t i 0 2 平均粒径为6 0 r i m ) 纳米流体的粘度，发现： 现有悬浮液粘度理论公式在计算高体积分数纳米流体粘度时，结果远小于实验测量 值，并且体积分数越大计算误差越大，必须在实验的基础上对其进行修正。根据有效 体积分数的概念，对现有悬浮液粘度理论公式进行修正，得到了适用于测算纳米流体 粘度的半经验公式。 m u r s h e d 等【3 2 】通过实验对t i 0 2 水( t i 0 2 粒径为1 5 r i m ) 纳米流体粘度进行测量， 发现：纳米流体的粘度随着温度的升高而急剧减小，随纳米颗粒体积分数的增加而增 大，而相对粘度随着温度的变化没有较大改变。同时还发现纳米流体的粘度与基液相 比没有较大改变，分析其原因可能是由于颗粒聚集、颗粒间相互作用以及颗粒内部潜 在的范德华力造成的。 曾文甲等【3 3 】实验测量了t i 0 2 水( t i 0 2 平均粒径为7 2 0 n m ) 纳米流体的粘度， 发现：纳米流体的粘度随着颗粒体积分数的增加而增大，随着剪切速率的增加而减小； 当体积分数为5 、剪切速率大于7 0 0 s 1 时，粘度的减小趋于平缓，且此时纳米流体为 牛顿流体。还发现纳米流体的相对粘度随着颗粒体积分数的增加呈指数增大。 郭顺松等【3 4 】将s i 0 2 一水纳米流体作为研究对象，在不同粒径( s i 0 2 粒径分别为 7 n m 、4 0 n m 、6 1 8 n m 、1 2 6 9 n m 、1 5 7 8 n m ) 和体积分数条件下，对它的粘度进行实 验研究和理论分析，发现：在相同体积分数条件下，纳米流体的粘度随着颗粒尺寸的 减小而递增。对低粘度的纳米流体粘度进一步测量分析，发现：当添加粒径为7 n m 、 体积分数为4 的s i 0 2 纳米颗粒时，粘度增加4 0 0 ，远大于经典悬浮液粘度公式的 测算值。通过对低体积分数下的粘度计算公式进行修正，得到了新的理论关联式，修 正式与实验值的最大偏差不超过5 。 6 济南大学硕： = 学位论文 i i i i i i 宣i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i 宣i 宣i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i