（动力工程及工程热物理专业论文）粘弹性流体基纳米流体导热系数与粘度研究.pdf

国内图书分类号：tk39 学校代码：10213 国际图书分类号：621 密级：公开 工学硕士学位论文工学硕士学位论文 粘弹性流体基纳米流体导热系数 与粘度研究 硕 士 研 究 生 ： 周文武 导 师 ： 李凤臣教授 申请学位 ： 工学硕士 学科 ： 动力工程及工程热物理 所 在 单 位 ： 能源科学与工程学院 答 辩 日 期 ： 2012 年 7 月 1 授予学位单位 ： 哈尔滨工业大学 classified index: tk39 u.d.c: 621 dissertation for the master degree in engineering on thermal conductivity and viscosity of viscoelastic-fluid-based nanofluids candidate： zhou wenwu supervisor： prof. li fengchen academic degree applied for： master of engineering speciality： power engineering and thermal physics affiliation： school of energy science and engineering date of defence： july 1, 2012 degree-conferring-institution： harbin institute of technology 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - i - 摘摘 要要 为了获得一种既具有纳米流体的高导热系数又具有粘弹性流体的湍流减阻 性能的流体，本文首先以十六烷基三甲基氯化铵/水杨酸钠（ctac/nasal，其 中 nasal 提供抗衡离子）水溶液为基液、纳米 cu 粒子和多壁碳纳米管 （mwcnts）为纳米粒子配置了稳定的粘弹性流体基 cu/mwcnt 纳米流体， 并对他们的分散性及悬浮稳定性进行了研究。 其次，通过一系列的实验研究了粘弹性流体基纳米流体的导热系数和粘度 与粒子体积分数、温度和基液浓度等因素的关系。导热系数实验测量结果表明： 与基液相比，粘弹性流体基纳米流体的导热系数有明显升高，且随着粒子体积 分数与温度的升高而升高。然后，通过分析流变学研究结果发现粘弹性流体基 纳米流体表现出明显的剪切稀变特性，且其剪切粘度随着粒子体积分数的增加 而增加，随着溶液温度的增加而减少。 最后，本文创新地运用微元分割法，分别提出了球形粒子与碳纳米管对应 的纳米流体导热系数模型，并将纳米流体导热系数实验值与模型预测值进行对 比，其中碳纳米管纳米流体导热系数模型预测值与粘弹性流体基 mwcnt 纳米 流体导热系数随温度/粒子体积分数变化的实验值吻合很好，最大误差为 2.94%， 同时利用建立的纳米流体导热系数模型简单地研究了纳米流体导热系数 与各物性参数的关系，为进一步的理论研究提供基础。 关键词：粘弹性流体基纳米流体；导热系数模型；粘度；多壁碳纳米管；铜纳 米粒子 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - ii - abstract for the sake of getting a novel heat transfer fluid with high heat transfer properties as well as turbulent drag reducing abilities, we have firstly prepared viscoelastic-fluid-based nanofluids (vfbn) using aqueous solution of cetyltrimethyl ammonium chloride/sodium salicylate (ctac/nasal, nasal is as counterion.) as viscoelastic base fluid and carbon nanotubes (cnts) as nanoparticles. secondly, the thermal conductivity and shear viscosity of the prepared vfbn with variation of particle volume fraction, temperature and concentration of base fluid were experimentally investigated. the measured results show that the thermal conductivity of the tested vfbn is significantly higher than corresponding base fluids and increases with increasing particle volume fraction and temperature. then, the rheological results of vfbn with mwcnts shows a non-newtonian behavior and its viscosity increases with the increase of particle volume fraction and decrease of temperature. furthermore, by means of micro-incised method, two thermal conductivity models for nanofluids with spherical particles and with cnts have been proposed at last. the comparisons between measured results and predictions of new model on thermal conductivity of vfbn were also exhibited, among which the predictions match the temperature and volume fraction changed thermal conductivities pretty well, with a maximum deviations of 2.94%, and with the established new thermal conductivity model of nanofluid we simply study the relationship between thermal conductivity and varieties of physical parameters, which lays a foundation for the future research. keywords: viscoelastic-fluid-based nanofluids; thermal conductivity model; viscosity; multi-walled carbon nanotubes; copper nanoparticle 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - i - 目 录 摘 要 .i abstract . ii 第 1 章 绪 论 . - 1 - 1.1 课题来源及研究的目的和意义 . - 1 - 1.1.1 课题来源 . - 1 - 1.1.2 研究的目的和意义 . - 1 - 1.2 国内外在该方向的研究现状及分析 . - 3 - 1.2.1 国外研究现状 . - 3 - 1.2.2 国内研究现状 . - 8 - 1.3 课题的提出及主要内容 . - 10 - 第 2 章 纳米流体制备及稳定性分析 . - 11 - 2.1 纳米流体的制备 . - 11 - 2.1.1 粘弹性流体基 cu 纳米流体的制备 . - 12 - 2.1.2 粘弹性流体基 mwcnt 纳米流体的制备. - 13 - 2.2 粘弹性流体基纳米流体的悬浮稳定性研究 . - 13 - 2.2.1 直观稳定性分析 . - 14 - 2.2.2 微观稳定性分析 . - 16 - 2.3 本章小结 . - 19 - 第 3 章 纳米流体导热系数与粘度实验研究 . - 20 - 3.1 导热系数与粘度概述 . - 20 - 3.2 实验测量系统 . - 22 - 3.3 导热系数测量结果及分析 . - 24 - 3.3.1 粘弹性流体基 cu 纳米流体导热系数测量结果及分析 . - 24 - 3.3.2 粘弹性流体基 mwcnt 纳米流体导热系数测量结果及分析 . - 25 - 3.4 粘度测量结果及分析 . - 29 - 3.4.1 粘弹性流体基 cu 纳米流体粘度测量结果及分析 . - 29 - 3.4.2 粘弹性流体基 mwcnt 纳米流体粘度测量结果及分析 . - 29 - 3.5 本章小结 . - 32 - 第 4 章 纳米流体导热系数理论模型建立 . - 33 - 4.1 引言 . - 33 - 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - ii - 4.2 球形粒子纳米流体导热系数模型建立 . - 33 - 4.3 mwcnt 纳米流体导热系数模型建立 . - 38 - 4.4 实验数据与纳米流体导热系数模型对比 . - 41 - 4.4.1 粘弹性流体基 cu 纳米流体导热系数实验值与模型值对比 . - 41 - 4.4.2 粘弹性流体基 mwcnt 纳米流体导热系数实验与模型值对比 . - 43 - 4.5 本章小结 . - 48 - 结 论 . - 49 - 参考文献 . - 51 - 攻读硕士学位期间发表的论文及其它成果 . - 57 - 哈尔滨工业大学学位论文原创性声明及使用授权说明 . - 58 - 致 谢 . - 59 - 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - 1 - 第第 1 章章 绪绪 论论 1.1 课题来源及研究的目的和意义 1.1.1 课题来源 本课题研究基金项目来源：国家自然科学基金纳米流体流动与换热实验研 究(51076036)。 1.1.2 研究的目的和意义 工业生产的各个领域都离不开热量传递，其传递效率决定了工业生产的命 运。无论是动力、冶金、石油、化工、材料等传统主体工业领域，还是航空、 电子、核能等高技术工业领域，都与热量传递息息相关。随着科学技术的发展 与能源危机的出现，传统的依靠提高换热工质质量、增大热交换设备的体积来 提高设备的传递效率已经不再可行。 1959 年，美国著名的理论物理学家、诺贝尔奖获得者 richard feynman 预 言1，假若人类能够按照自身意愿对微观尺度予以操纵，必将极大地拓展人类 可能获得物理性能的范围，并描述了人类掌握纳米技术后的美好世界。今天， 人们发现这一预言正一步步成为现实。随着电脑 cpu 芯片的日益集成化，单位 热负荷越来越大，芯片性能提升空间越来越小，遇到了前所未有的瓶颈。然而， 这一难题的出现不是由于电子元件集成技术不成熟而是由于芯片高度集成引起 的单位热负荷过大（电子元件产生的几瓦特能量加在纳米尺度面积上能够产生 强度与太阳相当的热流密度） 。不仅如此，航空航天、核能等高新技术产业也出 现了类似的难题。因此，亟需研制体积小，重量轻、传热性能好的高效紧凑式 热交换装置，以解决设备的高热流密度问题，满足纳米时代发展的需求。 通常提高换热效率，解决高热流密度问题一般采用两种方法：第一，通过 优化装置的热流密度分布，设计新型的换热器（如：微通道换热器等） 。然而， 在许多情况下， 热交换工质本身的热物性参数已成为影响热交换装置设计布局、 换热效率的主要因素。传统的换热工质如水、油、醇等由于其导热系数较低， 很难获得更高的热交换能力。因此对传热工质热物性的进一步改进将是解决传 热问题的另一重要途径。在换热工质中添加金属、非金属粒子等是提高工质导 热系数的一种有效方法。 由于在室温条件下金属的导热系数是传统换热工质 （如 水，乙二醇，油）导热系数的 100-1000 倍，例如，ag（429w m-1 k-1）的导热 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - 2 - 系数是蒸馏水（0.61 w m-1 k-1）的 700 多倍，是机油（0.145 w m-1 k-1）的 3000 倍2。因此，能够推测：添加金属颗粒的悬浮溶液的导热系数将会比传统工质 的导热系数高很多。 随着科学技术的发展， 加工尺寸小于 100nm 的金属或非金属颗粒成为可能， 这为解决传热的瓶颈问题，促进纳米技术的发展提供了新的机遇和挑战。1995 年 choi3提出：在传统的换热工质中按照一定比例加入几何尺寸小于 100nm 的 纳米粒子，均匀混合，配置成化学性质稳定的新型悬浮液，命名为纳米流体。 相比较于传统的毫米或微米级悬浮液，纳米流体有明显的优点： （1）纳米粒子的小尺寸使其运动更接近于液体分子，能够保持稳定而不沉 淀，且不易造成管道堵塞和磨损等不良结果3。 （2） 纳米流体的导热系数相比于基液有明显的提高， 换热性能有明显改善。 纳米流体的优点及其良好换热性能引起了世界各国学术界的关注，许多研 究人员开展了大量的研究工作，研究内容涉及纳米流体的配置、应用前景、导 热系数与对流换热系数的实验测量与理论预测分析等4,5，取得了一定成就。然 而，在基液中添加纳米粒子不仅增加了纳米流体的导热系数，也增加了原基液 的粘度6，而粘度的增加将直接导致管路系统压降损失的增加，这阻碍了纳米 流体在工业生产及区域集中供热系统的广泛运用。 众所周之，在运行管道中添加少量高聚物或表面活性剂能够极大地减小管 道湍流过程中压降，这种现象被称为 toms 效应7。这类减阻型流体既能表现 出弹性又表现出粘性，通常称之为粘弹性流体。例如：对于阳离子表面活性剂， 在适宜的浓度，温度和剪切速率范围下，先形成粘弹性的棒状胶束，随之发展 成为网状，这类结构是引起湍流减阻现象的直接原因。li 等人8,9通过大量实 验研究了槽道流的添加剂湍流减阻与换热特性，使用的添加剂是 ctac（十六 烷基三甲基氯化铵）阳离子表面活性剂溶液。研究结果表明 ctac 表面活性剂 减弱了流动中垂直于管壁方向的脉动速度强度，提高了沿流线方向的速度（随 管径的不同而不同） ，减小了雷诺剪切应力等10,11。然而，当粘弹性减阻流体 表面活性剂水溶液被运用于区域集中供热系统时，科研人员遇到了不可避免 的问题，即表面活性剂在抑制湍流脉动的同时，也减弱了管道流体与外界的换 热，降低了工质的换热能力。为了解决这个问题，一部分研究人员采用物理的 方法提高表面活性剂溶液的换热性能12,13，并取得了一定效果。但是，过程实 现比较复杂，限制了其在工业上的推广利用。 综合考虑纳米流体与粘弹性流体的优缺点，如果能配置一种非牛顿流体既 拥有纳米流体的高导热系数又具有粘弹性流体的减阻性能，本文称之为粘弹性 流体基纳米流体，那么之前纳米流体的阻力问题与粘弹性流体的换热恶化问题 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - 3 - 都将等到明显的改善。可是目前，国内外关于这类流体的热物性研究十分有限， 因此迫切需要开展对其导热系数、换热性能、粘性与减阻性能的进一步研究， 为其在工业上的推广运用打下基础。 1.2 国内外在该方向的研究现状及分析 导热系数是衡量工质热交换能力的一个重要物性参数。纳米流体概念一经 被提出，立刻引起了传热学界研究学者的极大兴趣，并对纳米流体的导热系数 进行了大量研究。目前，国内外有关纳米流体的导热系数有大量文献可供参考， 但是由于不同研究人员采用的配置方法，测量原理，仪器精度等一系列差异， 导致获得数据差异很大，甚至出现截然相反的结果，缺乏统一参考标准。总体 上，通过研究学者的大量实验研究和理论分析，已经确定了纳米流体导热系数 与纳米粒子的体积分数、导热系数、尺寸、形状及温度和基液热物性等因素有 关。然而，与大量有关纳米流体导热系数和传热换热研究结果形成对比的是： 有关纳米流体粘度研究开展的比较晚，得到的结果还很匮乏。 由于纳米粒子的特殊尺寸效应，因此配成的纳米流体物理性质既不同于两 相悬浮液也不是纯粹的单相流体，这就导致了传统的热传导和粘度规律不再适 用，目前关于纳米流体导热系数与粘度的研究结果主要集中于实验研究，也有 许多学者运用不同的理论方法解释导热系数与粘度增加的机理，试图提出导热 系数与粘度预测模型，但是尚未形成统一的定论。 1.2.1 国外研究现状 自从 1995 年纳米流体概念被提出至今， 纳米流体导热系数的研究经历了萌 芽、发展、高产，到现在产出的研究结果基本达到了高峰。目前，研究学者对 于导热系数的实验研究已经形成初步共识，普遍认为：纳米流体导热系数与纳 米粒子的体积分数、导热系数、尺寸、形状及温度和基液热物性等因素有关。 国外在这一领域开始的比较早， 已经获得了大量广泛的导热系数实验研究数据， 目前处于逐渐降温阶段，有一部分人开始转向理论研究。接下来先简单介绍国 外导热系数实验研究现状，再介绍理论研究现状，最后简单介绍下粘度的实验 进展情况。 实验方面，对于纳米粒子体积分数这一影响因素，有大量文献可以查阅参 考，一般来说，纳米粒子体积分数越大，纳米流体的导热系数越大。1993 年， masuda 等14通过实验测量了水基 al2o3（13nm） 、sio2（12nm）和 tio2（27nm） 纳米流体的导热系数，实验结果表明：31.85时，4.3vol% al2o3/水纳米流体其 导热系数相比基液升高了 32.4%，并且导热系数增加的比例与纳米粒子的体积 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - 4 - 分数近似成线性关系。 1999 年， lee 等15和 wang 等16分别研究了室温下 al2o3 （lee 等 38.5nm，wang 等 28nm） ，cuo（23nm）纳米流体导热系数，也得出 了类似线性的结果。lee 等测得 4vol% cuo /乙二醇导热系数相比于基液升高了 20%，wang 等测得 8vol% al2o3/水导热系数比水高了 40%。然而，也有学者通 过实验得到了不同的结论纳米粒子的体积分数与导热系数增加比例呈非线 性关系。2005 年，murshed 等17实验结果表明室温下 tio2/水的导热系数上升 比例与粒子的体积分数成非线性关系。 纳米粒子的导热系数是影响纳米流体导热系数的重要因素之一，但是对于 粒子导热系数与纳米流体的关系不同学者有不同的结论。例如，al2o3粒子导热 系数比 cuo 粒子导热系数大，可是 lee 等15实验测得室温下 cuo 纳米流体的 导热系数却比 al2o3纳米流体导热系数高。 2008 年， chopkar 等18测量了 ag2al 和 al2cu 纳米流体的导热系数，得出 ag2al 纳米流体导热系数比 al2cu 纳米流 体稍高，测量结果与 ag2al 和 al2cu 纳米粒子导热系数大小一致。又如，choi 等19于 2001 年测得室温下 1vol%的 mwcnt （多壁碳纳米管） /油（外径 25nm， 长度 50m）纳米流体，其导热系数增大了 160%，作者认为导热系数的增加比 例与 mwcnt 自身的高导热系数（3000w m-1 k-1）有一定关系。总体上，大部 分研究者认为，在其他条件相同的情况下，纳米粒子导热系数越大，其配置成 的纳米流体导热系数越大。 纳米粒子的尺寸是另外一个影响纳米流体导热系数的重要参数。2001 年， eastman等20测量了粒子尺寸为10nm的cu/ 乙二醇纳米流体的导热系数 ,其结 果比 lee 等15测的 23.6nm 的 cu/ 乙二醇纳米流体的导热系数增加的比例大。 2006 年，chopkar 等21通过研究粒子尺寸为 983nm 的 al70cu30纳米流体导热 系数，得出纳米流体导热系数随粒子尺寸的增加而减小。然而，beck 等22与 mintsa 等23得出了相反的结论，他们测得 al2o3/水导热系数随纳米粒子尺寸减 小而减小，不过，在高温时 mintsa 等测量结果与 chopkar 等一致（纳米粒子粒 径越小，导热系数增加越明显） 。对于这种差异，feng 等23和其他研究者认为： 纳米粒子的尺寸越小，粒子比表面积越大，相互之间表面力较强，以至于相互 吸引形成团聚，导致导热系数减小。然而，一些学者认为：随着测量溶液的温 度升高，对于粒径越小的纳米流体，其粒子布朗运动加剧越明显，这加强了溶 液微对流与热量传递，所以引起导热系数增加。 纳米粒子的形状主要有球状与棒状两种，关于粒子形状对于纳米流体导热 系数影响的研究不多。主要有 xie 等24与 murshed 等25，xie 分别研究了 26nm 的球形 sic 与 600nm 的棒状 sic 配置成的纳米流体导热系数。实验结果表明： 悬浮有棒状 sic 粒子的纳米流体导热系数比悬浮有球状 sic 粒子的纳米流体导 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - 5 - 热系数大，这表明在相同的粒子体积分数的情况下，非球状粒子的纳米流体导 热系数比球形的纳米流体大。murshed 等测量了球形 tio2（15nm）纳米流体与 棒状 tio2（10nm40nm）纳米流体导热系数，得到了与 xie 相同的结论。 至于温度对纳米流体的影响，研究人员普遍认为：在一定温度范围内，纳 米流体的导热系数随着溶液温度的增加而增加，呈正比例关系，而分歧主要集 中于导热系数与温度关系是线性关系还是非线性关系。对于传统的毫米级或微 米级固液悬浮液，混合物导热系数随温度的变化规律主要取决于基液和粒子随 温度的变化规律，与别的因素关系不大。然而，对于纳米流体而言，温度的改 变不仅影响基液和粒子的导热系数，也影响溶液中纳米粒子的布朗运动与团聚 情况，导致纳米流体导热系数随温度改变而剧烈变化。masuda 等14通过实验测 量了水基 al2o3（13nm） 、sio2（12nm）和 tio2（27nm）纳米流体的导热系数 随温度的变化规律，研究结果表明：随着温度的升高，导热系数增加的比例逐 渐下降，这与其他研究人员得到的结论相反。das 等26研究了 al2o3/水纳米流 体与 cuo/水纳米流体导热系数随温度的依变性，得出 1vol% al2o3/水纳米流体 导热系数增加比例从 21的 2%上升到 51的 10.8%，并且纳米粒子体积分数 越高，随温度的上升比例越明显，4.0vol% al2o3/水纳米流体导热系数增加比例 从 21的 9.4%上升到 51的 24.3%。纳米流体导热系数增加的比例与温度基 本成线性规律。可是，li 与 peterson27测量了相同材料尺寸相近的纳米流体得 出了与 das 等的不同结果纳米流体的导热系数增加比例与温度成非线性关 系。 根据 maxwell 导热系数模型，纳米流体的导热系数随基液导热系数的增加 而增加。不可否认，实验测得纳米流体导热系数值与模型预测的结论相符合， 但是对于不同基液纳米流体，其导热系数增加比例与基液导热系数大小并没有 明显的关系。wang 等16研究了四种基液（水，乙二醇，真空泵流体，润滑油） 的纳米流体的导热系数，得出以乙二醇为基液的 al2o3纳米流体导热系数增加 比例最大。与此同时，wang 等通过实验得出以水和乙二醇为基液的两种 cuo 纳米流体导热系数增加比例相同。chopkar 等21 也研究了悬浮有 ag2al 和 al2cu 纳米粒子的水基和乙二醇基四种纳米流体的导热系数，发现以水为基液 的 ag2al 和 al2cu 纳米流体的导热系数比对应以乙二醇为基液的纳米流体导热 系数大。liu 等28测量了以乙二醇和合成润滑油为基液的 mwcnt 纳米流体导 热系数，得到 1vol%的 mwcnt/乙二醇纳米流体导热系数上升 12.4%，2vol% 的 mwcnt/合成润滑油纳米流体导热系数上升 30%。 溶液的 ph 值也能通过影响粒子表面性质而影响纳米流体导热系数值。不 过。相比于粒子体积分数，形状，温度等影响因素，关于 ph 值对纳米流体导 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - 6 - 热系数影响的报道很少。xie 等人24将 al2o3依次与水，乙二醇，油混合配制 成纳米流体，通过改变不同溶液的 ph 研究对应悬浮液的导热系数，发现纳米 流体的导热系数随着 ph 值的增加急剧下降， 并且导热系数的增加比例与 ph 值 大小密切相关。当溶液 ph 值从 2 上升到 11.5，5vol%al2o3/水纳米流体导热系 数增加比例从 23%减少到 19%，作者认为 ph 值改变引起 al2o3的零点电位改 变影响了纳米粒子在基液中的分散性，因此导致导热系数降低。wang 等人29 研究了 ph 对 al2o3/水和 cu/水纳米流体的影响。他们通过实验得到，当在纳米 流体中加入十二烷基苯磺酸钠作为分散剂时， al2o3/水和cu/水悬浮液分别在ph 值约为 8.0 和 9.5 时导热系数上升比例达到最大。作者认为在最优 ph 值时，纳 米粒子的表面电位上升引起粒子间的斥力增加，有效地阻碍了粒子的团聚。 无论是何种状态的物质，其热量传递都是依靠物质内部微观粒子相互碰撞 和传导的结果。但不同物质的微观结构差异及所处的状态不同，导热机理是不 同的。 一般认为气体和液体是依靠分子或原子的相互作用和碰撞进行热量传递； 金属晶体主要是靠电子的碰撞，声子也有微小贡献；非金属固体主要靠晶体点 阵或晶格振动传递热量30。然而纳米流体作为一种稳定的悬浮液，既非常规单 相流体也非通常的两相流体，之前建立在材料连续介质假设基础上的各种导热 系数模型对于纳米粒子不再适用。即使如此，许多研究者通过借鉴参考不同的 理论，提出了一系列导热系数模型，虽然到目前为止仍然没有形成统一的理论， 且适应性也不强，但是这些理论模型仍具有一定的参考价值。接下来介绍的模 型中，k代表导热系数（w/m k） ，下标b代表基液，下表p代表纳米粒子，为 粒子的体积分数。 一百多年前，maxwell31提出了经典的用于计算包含微米级或毫米级球形 粒子悬浮液的导热系数模型， 22() 2() effpbpb bpbpb kkkkk kkkkk (1-1) 从公式中可以看出，maxwell 模型只包含球形粒子、基液导热系数及颗粒 体积分数影响因素，不含粒子的尺寸、形状等因素。值得指出的是 maxwell 模 型是最早用于计算纳米流体导热系数的经典模型，随后的导热系数模型都是基 于该模型进行改进而得到的。 随后 hamilton 和 crosser32在 maxwell 模型的基础上进行改进，提出了一 个考虑粒子尺寸效应的导热系数模型，形状因子 3 n （为粒子球形度） ， (1)(1)() (1)() effpbpb bpbpb kknknkk kknkkk (1-2) 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - 7 - 虽然 maxwell 模型与 hamilton-crosser 模型都是建立在粒子尺寸大于毫米 或微米级基础上，并且已经被证实只适于大尺寸悬浮液导热系数的预测，不适 于纳米流体，但是它们仍是研究人员最偏好的模型之一，无论是纳米流体导热 系数实验数据抑或理论模型的对比，始终出现在最新的研究论文中。 由于纳米粒子的尺寸很小， 相比于其他粒子纳米粒子的布朗运动不容忽视。 bhattacharya 等人33利用布朗运动动态模拟方法提出了一个计算纳米流体有效 导热系数模型， (1) effp bb kk kk (1-3) 其中 2 0 1 ,(0) () n p j b kqq j tt k t v ， p k（w/m k）不是简单的块状材料 的导热系数，而是包含粒子布朗运动效应的等效导热系数。 jang 和 choi34提出了一个包含粒子布朗运动效应的导热系数模型， 其不仅 是基液、纳米粒子的导热系数的函数，也是温度和粒子尺寸的函数。纳米流体 中的热量传递被划分为四部分：流体分子间的碰撞、纳米粒子热扩散、纳米粒 子由于布朗运动而产生的碰撞和纳米粒子与流体分子间的热传递。 2 (1)3repr p eff b bpbd bp k d kkck kd (1-4) koo 和kleinstreuer35认为纳米流体的导热系数可以视为静态导热系数部分 与动态导热系数两部分组成， effstaticconvection kkk，基于这种思想，提出了(1-5) 计算式，其中静态部分采用了 maxwell 模型，动态部分推导了考虑纳米粒子周 围流体随机流动的公式。 ,4 ( , ) 5 10 effeff maxwell pp bbpb kk ktf t c kkdk (1-5) 表 1-1 列出了目前其它一些导热系数模型研究的结果，以及这些模型所考 虑的因素及适用情况。 尽管粘度是一个十分重要的物性参数，但相比于广泛的导热系数研究，文 献中报道的有关纳米流体粘度结果并不多。到目前为止，研究人员普遍认为纳 米流体的粘度与溶液温度、粒子尺寸及粒子体积分数有关。 （1）yang 等人36 测量了 4 种石墨纳米流体在对应 35、43、50、70各自的粘度，测量结果表明： 随着温度增加，纳米流体的动力粘度降低。chen 等人37测量了水基多壁碳纳米 管纳米流体的粘度随温度（5-65）变化情况，与 yang 等人结果不同的是， 当温度大于 55后，纳米流体的粘度反而增加，这可能是由于温度增加导致布 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - 8 - 朗运动加剧导致的。namburu 等人38研究结果表明纳米流体的粘度随温度增加 而呈对数下降趋势，并且他们发现 sio2/（水，乙二醇）纳米流体在低温时表现 出非牛顿流体性质，而高温时表现出牛顿流体性质。chen 等人39系统地研究了 剪切率、温度对乙二醇基 tio2纳米流体的粘度的影响。 （2）关于粒子尺寸对纳 米流体粘度的影响文章不多，并且得出的结论缺乏一致性。nguyen 等40研究了 al2o3/水纳米流体粘度与粒子尺寸的关系，提出粒子尺寸对于高粒子体积分数 纳米流体的粘度影响更显著，当粒子体积分数小于 4%时，粒子尺寸为 36nm 和 47nm 的纳米流体粘度基本相等，对于高粒子体积分数的纳米流体，粒子尺寸 47nm的悬浮液要明显大于 36nm的悬浮液。 lu 和fan41得出了截然相反的结论， 通过分子动态模拟和实验研究得出纳米流体的粘度随粒子尺寸的增加反而减 小。 （3）虽然研究人员就温度及粒子尺寸对粘度影响存在分歧，但是关于粒子 体积分数对粘度影响的观点基本一致：纳米流体粘度随粒子体积分数的增加而 增加42。 另外， ding 等人43通过大量的水基碳纳米管纳米流体的粘度实验测量， 得到了水基碳纳米管纳米流体粘度与剪切率的函数关系，并得到了碳纳米管纳 米流体的剪切稀变特性。 表 1-1 纳米流体导热系数模型列表 研究者 模型方程（/ effb kk） 特性描述 yu 和 choi44,45 3 3 22()(1) 2()(1) pebpeb pebpeb kkkk kkkk ，1 1 eff eff na a 对 maxwell 模型和 h-c 模 型的修改 xie 等46 22 2 1 3 1 t t t 包含纳米粒子包裹层效应 kumar 等47 2 2 1 ()(1) bb pbp rk t c dkr 包含粒子浓度、 温度和粒径 的影响 prasher 等48 0.333 22() (1re pr) 2() pbpbm pbpb kkkk a kkkk 包含粒子附近液体微对流 的影响 xue 等49 12ln 2 12ln 2 ppb pbb pb b pbb kkk kkk kk k kkk 适合于碳纳米管的导热系 数 1.2.2 国内研究现状 在传热学和换热器研究领域，国内高校与科研机构的研究重心多年来一直 是传统的强化传热技术，有关纳米流体的研究开始的比较晚，不过目前对于纳 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - 9 - 米流体的研究已经处于快速发展阶段，发表了一系列纳米流体导热系数及粘度 的研究结果。 南京理工大学宣益民研究小组率先开展了将纳米材料应用于强化传热领域 的基础研究工作，开展了纳米流体的配置、导热系数、粘度、对流换热系数等 领域研究。到目前为止，运用两步法配置了稳定 cu/（水，机油）和 al/（水， 机油）的悬浮液，并运用自制的导热系数装置和粘度计研究了纳米粒子种类、 体积分数、形状尺寸及温度对导热系数和粘度的影响2，研究结果表明，(1)在 基液中添加纳米粒子能够显著增加导热系数，导热系数随粒子体积份额的增加 呈线性增加，纳米粒子属性、尺寸、悬浮性对导热系数大小有直接的影响。(2) 加入纳米粒子改变了纳米流体的粘度，其大小随粒子体积分数增加而增加，增 加的比例与粒子属性、尺寸及基液种类有直接关系，并简要分析了粘度增加的 机理。同时，宣益民研究小组在 koo 和 kleinstreuer 模型的基础上考虑粒子团 聚效应重新提出了一个动态导热系数计算模型（式 1-6）50，包含悬浮纳米粒 子的碰撞效果及团聚影响。 22() 2()23 effpbbppp b bpbbpbcb kkkkkc k t kkkkkkr (1-6) 清华大学王补宣研究小组51研究了粒子及基液种类对纳米流体稳定性影 响，测量了 cuo/水等纳米流体的导热系数及粘度物性参数，运用分形理论建立 了有效导热系数模型（式 1-7） 52，分析了低浓度非金属纳米颗粒悬浮液导热系 数增强的机理。 11 0 1 0 (1)3( ) ( )/( )2 (1)3( ) ( )/( )2 ccb eff b bcb kr n rkrk dr k k k r n rkrk dr (1-7) 上海硅酸盐研究所谢华清研究小组53测量了不同体积分数的 sic/乙二醇纳 米流体的导热系数，进行了纳米流体强化导热机理的简要分析。 哈尔滨工业大学李凤臣研究小组54开展了粘弹性流体基纳米流体的配置， 导热系数及流变学研究，测量结果表明，ctac/nasal 溶液基粘弹性流体基 cu 纳米流体的导热系数随温度和粒子体积分数的增加而增加，剪切粘性表现出明 显的非牛顿流体性质。 值得一提的是，上海交通大学刘振华研究小组55,56率先配置了粘弹性流体 基 cnt 纳米流体（其文章中称减阻型纳米流体） ，简要研究了 cnt 纳米流体导 热系数随温度的变化（导热系数增加比例与 liu28测得 1vol%的 mwcnt/乙二 醇纳米流体导热系数增加比例接近） ， 系统地研究了不同粘弹性基浓度下的纳米 流体的减阻换热特性。 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - 10 - 1.3 课题的提出及主要内容 本课题综合运用纳米流体制备及分散技术，配置以 ctac/nasal 溶液为基 液的粘弹性流体基 cu 纳米流体和粘弹性流体基 mwcnt 纳米流体两类新型悬 浮液，并通过实验方法对其悬浮稳定性、导热系数、聚焦结构及对应的纳米流 体导热系数模型等几个方面进行研究，探索纳米流体作为传热工质的新一代传 热及换热技术。 （1）粘弹性流体基纳米流体的配置。 粘弹性流体基纳米流体的配置是研究纳米流体导热系数及强化传热机理的 关键一步，要求系统学习粘弹性流体 ctac/nasal 溶液的配置方法与流变学特 性，并运用纳米流体的制备和分散技术配置稳定的粘弹性流体基 cu/mwcnt 纳米流体。 （2）粘弹性流体基纳米流体悬浮稳定性研究。 在纳米流体的悬浮液中，由于纳米粒子比表面积大、表面活性高，粒子间 相互作用力取代质量力占主导地位，使