（工程热物理专业论文）纳米颗粒悬浮液池内泡状沸腾换热的研究.pdf

摘要 摘要 在普通流体中加入纳米颗粒后组成的悬浮液可以使液体的导热性和对流传热能力有显著提高。 但是对于纳米颗粒悬浮液能否强化池内泡状沸腾传热尚未得到一致的结论。 本文首先分别在水平管及水平铜表面加热器池内沸聘装置上进行纳米颗粒悬浮液的沸腾实验， 并将实验结果与纯水的沸腾进行比较。加热管沸腾实验中，少量纳米颗粒的加入就可以对沸腾传热 起到强化作用。而对于三种不同浓度的铁和氧化铝纳米颗粒悬浮液，水平加热面上的沸腾实验结果 是：沸腾表面过热度不随颗粒浓度的增加而单调地减小或增加。 其次，根据实验结果，对纳米颗粒对沸腾传热的影响进行了理论分析，分析表明：纳米颗粒的 加入对池内沸腾传热的影响存在着多种因素。可以归结为热物性效应和表面效应。悬浮液有效导热 系数的提高，强化了液体内部的热量传递；同时颗粒的加入也减小了基液的表面张力，使沸腾成核 的临界过热度减小，从而使池内沸腾传热强化；另一方面，由于颗粒间存在的作用力，增加了悬浮 液的表观枯度，加大了容积对流阻力。另外，对于不同粒径和浓度的纳米颗粒悬浮液，由于颗粒间 作用能的不同，呈现出不同的稳定性。稳定性差的工质在沸腾初期，颗粒未流化时就已经沉积于加 热表面，影响了加热表面的活化核心数。另外，对于重度大的颗粒悬浮液，一旦沸腾剧烈，颗粒流 化，对加热面产生的对流冲刷可以破坏先前生成的表面沉积，甚至产生新的活化核心。根据面积复 合模型和前人关于表面活化凹坑的实验结果，对纳米颗粒沉积影响加热表面活化核心数的程度，进 行了定量的数值模拟。模拟结果和实验中观察到的不同纳米颗粒对沸腾传热的影响基本相符。随着 沸腾的进行，工质内部扰动程度的不同，这两种效应的作用程度也不同，导致了沸腾各个时期活化 核心数的变化。 因此，对于不同种类，不同粒径和颗粒浓度的纳米颗粒悬浮液，这些因素的影响程度各不相同， 它们的综合作用使相应的纳米颗粒悬浮液池内沸腾传热或强化或恶化。 关键词：纳米颗粒悬浮液，泡状沸腾，强化传热，活化核心，数值研究 东南大学硕士学位论文 a b s t r a c t c o n d u c t i v ea n dc o n v e c t i v eh e a tt r a n s f e rc a nb en o t a b l e l ye n h a n c e db ya d d i n gn a n o p a r t i c l e si n t o c o n l n l o nf l u i d s t h i sn a t m a l l yb r i n g so u tt h eq u e s t i o nw h e t h e rs u c hf l u i d sc a nb eu s e di nn u c l e a t ep o o l b o i l i n gh e a tt r a n s f e r t h ep r e s e n tp a p e rf i r s t i n v e s t i g a t e si n t o t h i sq u e s t i o nb yb o i l i n ge x p e r i m e n t so fn a n o - p a r t i c l e s u s p e n s i o n so nb o t hh o r i z o n t a lh e a t e dt u b ea n ds u r f a c eh e a t e r , c o m p a r i n gt h er e s u l t so ft h ee x p e r i m e n t w i t ht h o s eo f p u r el i q u i d s t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t so f n a n o - p a r t i c l es u s p e n s i o n so nh e a t e dt u b ei n d i c a t e d t h a tt h es u p e r h e a to ft h es u s p e n s i o nb o i l i n gw a sl o w e rt h a nt h a to fp u r ew a t e ra tas a m eh e a tf l u x b u t w h e nw er e f e rt ot h er e s u l to f a n o t h e re x p e r i m e n t ，w ef i n dt h a tt h ee f f e c to f a d d i n gn a n o p a r t i c l e st op u r e f l u i d sw a sn o ta l w a y st o w a r d st h es a m ed i r e c t i o n t h a ti st os a y , f o rd i f f e r e n tn a n o - p a r t i c l ew i t hd i f f e r e n t p a r t i c l es i z ea n dv o l u m ef r a c t i o n ，t h eq u a n t i t yo fh e a tc o n v e y e db yb o i l i n gs u p e r h e a tw i l lb es o m e t i m e s h i g h e ra n ds o m e t i m e sl o w e rc o m p a r e dw i t hp u r ew a t e r a n a l y s i so nt h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o w st h a tt h e r ea r cm a n yf a c t o r si n f l u e n c i n gp o o lb o i l i n gh e a t t r a n s f e rb ya d d i n gn a n o p a r t i c l e si n t ob o i l i n gf l u i d s ，w h i c hc a nb es u m m e du pw i t ht h ec h a n g eo f p h y s i c a l p r o p e r t i e sa n ds u r f a c ee f f e c t t h ei n c r e a s eo fh e a tc o n d u c t i o nc a l la c c e l e r a t et h ei n n e rh e a tt r a n s f e ro f b o i l i n gf l u i d sw h i l et h ed e c r e a s eo fs u r f a c et e n s i o nw i l lr e d u c et h ec r i t i c a ls u p e r h e a to fn u c l e a t eb o i l i n g t h e s et w of a c t o r sh e l pt oe n h a n c ep o o lb o i l i n gh e a tt r a n s i t o nt h eo t h e rh a n d ，m u t u a lf o r c e sb e t w e e n p a r t i c l e si nf l u i d sb r i n gb i g g e rv i s c o s i t yt ob o i l i n gf l u i d s ，w h i c ht h e ni n c r e a s et h ef l o wr e s i s t a n c ed u r i n g b o i l i n g t h e s ef o r c e sv a r yw i t hd i f f e r e n tp a r t i c l e sw i t hd i f f e r e n ts i z ea n dv o l u m ec o n c e n t r a t i o n ，t om a k e s u s p e n s i o n sd i f f e r e n ts t a b i l i t y s u s p e n s i o n sw i t hp o o rs t a b i l i t yw i l lh a v ep a r t i c l e sd e p o s i to nt h eh e a t s u r f a c ed u r i n gp r o p h a s eo fn u c l e a t i o nw h e np a r t i c l e sa r en o tf l u i d i z e d t h i sh n do fs e d i m e n t a t i o nw i l l a f f e c tt h en u m b e ro fn u c l e a t es i t e so l lb o i l i n gs u r f a c eb u tf o rs o m ek i n do fs u s p e n s i o n sw i t hl a r g e r w e i g h t ，c o n v e c t i v er u s hb r o u g h tb yf i s h i gb u b b l e sd u r i n gi n t e n s eb o i l i n gp e d o dw i l ld e s t r o y e dp r e v i o u s s e d i m e n t a t i o na n dp r o d u c en e wn u c l e a t es i t e s b a s e do nat h e o r e t i c a lm o d e lo fb o i l i n gh e a tt r a n s f e ra n d p r e v i o u se x p e r i m e n t a lr e s u l t so l la c t i v en u c l e a t es i t e ，n u m e r i c a ls t u d yw a sc a r r i e do u tt oi n v e s t i g a t eh o w t h es e d i m e n t a t i o ni n f l u e n c e st h em t m b e ro fa c t i v en u c l e a t es i t e s q t m n t i t a t i v e l y 1 1 l es i m u l a t i o nr e s u l t s m a i n l ya g r e e sw i t ht h ee x p e r i m e n t a lo b s e r v a t i o no nt h ee f f e c tb ya d d i n gd i f f e r e n tn a n o - p a r t i c l e st h e nt h e d e n s i t yo f a c t i v en u c l e a t es i t e si sc h a n g e dd u r i n gb o i l i n gb yt h e s et w oa s p e c t si nd i f f e r e n td e g r e e a d d i n gd i f f e r e n tp a r t i c l e sw i t hd i f f e r e n tp a r t i c l es i z ea n dv o l u m ef r a c t i o n s ，h e a tt r a n s f e ro fn u c l e a t e p o o lb o i l i n gw i l lb ee n h a n c e do rd e t e r i o r a t e da sas u m m a t e dr e s u l to f t h e s ei m p a c t sa l lt o g e t h e r k e y w o r d s ：n a n o - p a r t i c l es u s p e n s i o n ，n u c l e a t eb o i l i n g ，e n h a n c e dh e a tt r a n s f e r , a c t i v en u c l e a t es i t e ，n u m e r i c a ls t u d y 主要符号对照表 主要符号对照表 面积 m 2 】，哈梅克数 j 】 汽泡尾流对流传热系数 、( m 2 k ) 】 颗粒体积浓度 摩尔浓度 m o u m 3 】 比热容 k j ( k g ，k ) 】 颗粒粒径 m 】，汽泡直径 m 】 气泡脱离直径准则 汽泡脱离频率 1 ，s 】 重力加速度【t i l ，s 2 】 换热系数【w ( m 2 k ) 】 汽化潜热 k j ，k 鲥 气泡的影响面积系数 导热系数 w ( m k ) 】 玻尔兹曼常数【1 3 8 1 1 0 - 2 3 j 闺 摩尔质量 g m o l 】 纳米颗粒形状系数 单位体积内分子数 1 r n 3 】 表面凹坑数 1 n 2 】 阿伏伽德罗常数 6 0 2 3 x1 0 2 3 m o l l 表面活化核心密度 1 m 2 热流密度 w l n 2 】 加热表面半径【m 】 粒子团半径 m 】，临界汽泡半径 m v c c 唧 勺 d d 厂 g k 七 置 岛 m n 却 心 地 q 只 k 东南大学硕士学位论文 r 4 r z 希腊字母 e f p 下标 知 d g 温度 】 表面过热度 颗粒表面双电层的带电价数 压缩系数【1 m p a 双电层参照厚度 1 m 颗粒间距离 m 表面张力 n m 密度 k g m 3 】 动力粘度 k g ( m s ) 运动粘度 m 2 s 】 汽泡周期【s 】，时间【s 】，牛顿应力 n 】 汽泡引起的对流 对流，临界值 脱离 汽化 有效 基液 成长 v i 主要符号对照表 流体 微层汽化 自然对流 纳米流体 颗粒 饱和 壁面，等待 ， m w 矿 p j w 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用过 的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并 表示了谢意。 研究生签名：蠼日 期：q 墨：生： 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的 复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内 容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可 以公布( 包括于u 登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研 究生院办理。 第一章前言 第一章前言 1 1 概述 1 1 ，1 研究背景 热量传递过程几乎渗透到了工业中的各个领域，包括动力、冶金、石油、化工、材料等传统主体工业 领域以及航空、电子、核能等高技术工业领域。热量传递般通过导热、对流和辐射三种方式来实现，液 体沸腾是有相变的对流传热传质过程，由于沸腾过程中伴随着汽化潜热的吸收，使沸腾换热较之导热与对 流传热，更满足实际应用中各种高热负荷壁面的传热和冷却要求。 随着现代动力、航空、电子和新能源等科学与技术的发展，以及工农业生产过程对节能和节材的重大 需求，强化传热技术在近几十年获得了广泛重视和长足发展。而研究在小温差小传热面积下传递最大可能 热量的强化液体沸腾换热问题，更是受n t 国内外广泛重视，成为工程热物理学科当前最热门的前沿研究 课题。 多年来己发展了许多传热强化方法，一种是通过改变沸腾表面的状况来影响成核过程的沸腾强化技 术。如机械强化表面、涂层等，但通常都有加工复杂，价格偏高，性能不稳定的缺点；另一种方法就是改 变沸腾工质。由于些热交换系统特殊结构的限制和高负荷传热强度的要求，传统的纯液体换热工质( 如 水、油、醇等) 已很难满足些特殊条件下的传热与冷却要求，要进一步研制体积小、重量轻、传热性能 好的高效紧凑式热交换设备，必须从工质本身入手研制导热系数高、传热性能好的高效新型换热工质。 近年来，一些实验结果表明，在液体中添加一定量的固体颗粒，可以使沸腾强化，但是由于毫 米或微米级粒子的尺寸较大，实际应用中如果不能保持流体的均匀和稳定，容易引起沉积、堵塞等 不良结果。纳米技术的发展，使使用纳米级颗粒强化沸腾传热成为一种新的可能。 从运输到能源直至微电子领域，现行的热系统( 包括散热器、发电机和高真空设备) 内的冷却剂、 润滑剂、油和其它熟交换流体本身的热交换性能一般较差，而在这些常规流体内添加分散微米乃至 毫米尺度的强化换热颗粒，却无法应用在许多实际场合，特别是新出现的“小型化”技术中，纳米 流体前所未有地拥有了热交换介质的两大优点，即相当稳定和相当高的导热系数，使得纳米流体成 为令人瞩目的新型高效换热介质。 纳米颗粒悬浮液的好处很多，酋先提高了导热系数，拥有更高的能量效率，由于换热系数很少 地增加都能极大地节约能源和材料，使换热设备具备更好的性能和更低的运行成本。有些纳米颗粒 悬浮液还可以降低流阻和摩擦阻力，减少保养和维护。利用纳米颗粒悬浮液的优点来设计发动机， 发动机可以在更优化的温度下工作。由于纳米颗粒尺寸很小，纳米颗粒悬浮液可以方便地通过极小 的流道，热交换系统可以做得更小、更轻，比如汽车，更小的组件可节省燃料和空间，而减少汽油 耗量，将导致尾气排放量减小，有利于保护环境。 上世纪六十年代以来，小型化成为科学技术进步中的一个潮流，微型机械系统在运行时产生大 量的热，用常规致冷工质不具备足够的致冷能力，而且在致冷流体中加入大颗粒的粉体不现实，因 为微型机器本身很小，需要的致冷系统显然不能太大，因此致冷管道很小，粗颗粒悬浮液的使用必 然堵塞管道。纳米流体在这种系统中可发挥其得天独厚的优点，即颗粒小，不堵塞，导热系数大， 东南大学硕士学位论文 在这种极端工况下，强化致冷。在电子和仪器领域，对超高性能致冷的需要与日俱增，传统上使用 的增加换热面积咀加强传热的方法己无法满足这种需要，而应运而生的纳米流体的应用，提供了解 决问题的新思路。另外，纳米流体可提高当前工业高真空和致冷系统的换热能力：在金属加工业中， 纳米流体可作为磨床和抛光机器的冷却剂：在太阳能利用系统中，可以强化从太阳能收集器到存储箱 问的热交换。 由于纳米流体优异的传热特性，近二十多年来，人们对它的对流换热特性和换热强化机理进行 了大量的研究。但是由于过程的复杂性，纳米流体的沸腾相变换热还投有进行深入的研究，现有的 少量实验研究结果还有较大的分歧。因此纳米流体的沸腾换热正成为工程热物理当前的一个前沿研 究热点。 1 1 2 沸腾基本理论 液体沸腾是现实生活中为人们所熟知的物理现象。沸腾换热最早的科学研究可追溯到1 7 5 6 年， 法国科学家l e i d e n f r o u s t 在相变传热科学史上完成了一个非常出色的实验，即发现水滴在高温金属 板上完全呈球状而不润湿金属表面，完全蒸发的时间反比在较低温度金属表面上所需的时间长。这 就是日后为人们所称的莱登夫罗斯特现象。此后众多科学家对这一现象进行了解释，但并没有实质 性的进展。直到1 9 3 1 年，传热学先驱j a c k o b 才开始对沸腾传热进行系统研究，利用高速摄影技术 观察分析加热面上气泡的生成、成长和脱离的规律。1 9 3 4 年，n a k i y a m a 利用浸泡在水中的加热铂 丝，第一次获得完整的沸腾曲线，并将整个沸腾过程划分为以下几个阶段，沸腾曲线及各阶段流态 如图1 1 所示“j 。 ( 一) 单相自然对流区段 在过热度较低时，换热面上的液体轻微的过热，液体内部产生自然对流，换热面上的换热通过 传导和自然对流进行。受热液体浮升到液面，将自然对流一直扩展到液面。这一换热过程相应为沸 腾曲线a 点以下部分，并称此区段为单相自然对流区段。 ( 二) 核态沸腾区段 沸腾ab 段是核态沸腾区，随着过热度的增高，在换热面上出现气泡，但数量较少，当过热度 进一步增大，气泡迅速增多，并能浮升到液面。这种气泡的产生、成长和脱离、浮升使液体受到剧 烈的扰动。这一工况的特征就是加热面温度较低，在加热面的某些点会周期性地产生气泡。 2 第一章前言 墨 斗阱苷如 图1 1 沸腾曲线 a t 蔓 ( 三) 过渡沸腾区段 此时液体和蒸汽不稳定地交替覆盖加热面，汽膜在表面张力和对流流动影响下极不稳定。 ( 四) 膜态沸腾区 曲线上c 点以后的部分。此时加热表面温度很高，其上形成一层稳定的汽膜。热量传递主要通 过汽膜的传导、对流和辐射来进行，并且辐射将逐步起主导作用。 b 点称为临界点，对应的热流密度是核态沸腾的最大热流密度，也称为临界热流密度( c h f ) ， 临界点实际上是由核态沸腾变为膜态沸腾的转折点。c 点称为膜态沸腾最小热流密度点，此时在换 热面上刚能形成一层能够覆盖住换热面的连续汽膜。 上述曲线是在恒壁温条件下得出的。如果是在恒热流条件下进行，当达到临界热流密度后，随 着换热系数的剧降，引起过热度t 的增大，而过热度的增加又促使换热系数进一步下降。因此沸 腾过程将由l 临界热流密度点b 沿虚线直接跳跃到d 点，而引起壁面温度的飞升，以致有可能超过材 料熔化温度，所以d 点也称为烧毁点。当热流密度下降时，由膜态沸腾工况通过cb 直接过渡到 核态沸腾工况。 2 0 世纪5 0 到6 0 年代是沸腾换热研究百花齐放的时期，提出了大量沸腾换热的机理模型，世界 各国都进行过广泛而深入的研究，尤其是针对核态沸腾换热。从传热角度看，核态沸腾换热包含三 个最基本的热量传递过程：1 ) 液体和加热面之间的非稳态导热。这一过程发生在气泡刚脱离壁面后 核化形成前的一段时间内，温度较低的液体进入原来被气泡所占据的加热面及其附近空间，与加热 面直接接触而发生非稳态导热；2 ) 气泡底部存在薄层液体，气泡长大过程中从加热面吸热形成的汽 化吸热过程；3 ) 流体与加热面之间的自然对流换热。这一过程因加热面上气泡的成长和脱离引起附 3 东南大学硕士学位论文 近液体扰动而得到强化。这三种基本的换热过程在核态沸腾的不同阶段所起的作用不同。 根据对这三种换热过程重要性的不同评价，己提出了各种不同的核态沸腾换热机理和换热计算 模型。主要可分为以下几类：1 ) 对流类比模型：认为热量主要通过对流换热由加热面直接传递给i 临 近的液体，代表性的是1 9 5 2 年提出并逐步演化的r o h s e n o w 模型口】：2 ) 汽液交换机理( 活塞模型) ： 认为核态沸腾换热具有很高换热能力的主要原因是气泡长大过程中加热面附近空间存在有周期性的 汽液交换；3 ) 液体微层汽化机理：s n y d e r t 4 1 晟早指出，液体核态沸腾过程中在成长气泡和加热壁面 之间存在着一层液体微层，微层的汽化是核态沸腾传热具有高换热能力的主要因素。此外，还提出 过大量的复合模型，但由于核态沸腾换热过程的复杂性，机理认识至今还没有达成共识。 1 2 国内外研究现状 纳米科学技术始于2 0 世纪8 0 年代末，是正在蓬勃发展的高新技术。1 9 9 5 年，c h o i 5 1 等提出了 。纳米流体”的新概念，即在常用液体中添加纳米量级的金属或金属氧化物。由于粒径尺寸小，固 体纳米颗粒可以很好地悬浮在液体中，得到稳定性较毫米或微米颗粒悬浮液提高很多的纳米颗粒悬 浮液。 1 2 1 纳米流体的制备及稳定性研究 纳米流体的制备是应用纳米粒子增强液体工质传热性能的关键一步。与传统的液固混合物相 比，虽然由于纳米粒子粒径很小，粒子的布朗运动等因素使粒子难以沉淀，但在纳米粒子的悬浮液 中，由于颗粒比表面积极大，颗粒表面的活性造成极高的颗粒表面能使它们很容易团聚在一起，形 成带有若干弱连接界面的较大团聚体。因此，如何使纳米粒子均匀、稳定地分散在液体介质中，形 成分散性好、稳定性高、持久及低团聚的纳米流体，是将纳米流体应用于强化传热所必需解决的根 本问题。 目前，纳米流体的制各方法可分为两种：“单步法”和“两步法”。 “单步法”是指在纳米颗粒制备的同时将颗粒分散到基液中。纳米颗粒和纳米流体的制各同时 完成。a r g o n n e 实验室的研究小组采用气相沉积法直接制各纳米悬浮液的方法属于单步法，即将纳 米材料的蒸汽注入液流中，冷凝成纳米流体。此种方法粒子纯度高、分散性好、悬浮液稳定性较高， 纳米流体可稳定悬浮几天甚至一周左右，但这种方法费用高，难于大量制造，所以不适宜于实际应 用。 所谓“两步法”。即先制备纳米粉体，再将纳米颗粒分散于基液中制备纳米流体，纳米颗粒和纳 米流体的制各是分步完成的。此种制备方法程序简单，花费少，几乎适用于所有种类的纳米流体的 制备，可制备单步法无法得到的以一些高蒸汽压的液体作为基液的纳米流体。相比较而言，虽然两 步法较适合于实际应用，但其制备的纳米流体的悬浮稳定性不及单步法制备的纳米流体，必须采用 一定方式的分散技术，使纳米粒子均匀稳定地分散在液体介质中。 纳米颗粒悬浮液的结构是纳米颗粒问作用力与粒子布朗运动共同作用的平衡结果。不同固相含 量的悬浮液的结构有所不同，如图1 2 示，以刚性球形的单分散悬浮体为模型，当固相体积含量较低 4 第一章前言 时，悬浮液是一种无序的类液相的稳定结构( 图1 2 a ) ：随悬浮液的固相体积含量的增加，悬浮液过渡 为一种类晶相的长程有序结构( 图1 2 b ) ：在更高的固相体积含量下，悬浮液转变为一种絮凝结构( 图 1 2 c ) 。 图i2 不同浓度纳米颗粒悬浮液的结构 无机氧化物在水中会由于 r 或o h 一离子的吸附而产生表面电荷，粉体表面电荷的符号及大小与悬 浮液的酸碱性有十分重要的联系。氧化物粒子在水中时表面首先水化带电。由于颗粒表面带有电荷， 为维持电中性，溶液中必存在带相反电的离子，称反离子，形成所谓的双电层。 纳米颗粒在流体中形成分散体的状态取决于颗粒一颗粒间的作用力。若斥力大于引力则稳定， 反之颗粒间产生团聚，浆料絮凝。因此，了解颗粒在溶液中的受力状况是研究颗粒分散的基础。如 图1 3 示，纳米颗粒在分散介质中所受到的主要作用力有范德华力、静电力、溶剂力、惯性力等”1 在双电层的基础上，比较成功解释胶体稳定性的理论是d l v o 理论，该理论是d e r j a g u i n ，l a n d a u ， v e r w e y 和o v e r b e e k 等于上世纪四十年代初建立起来的。其核心内容为：溶胶在一定条件下是稳定存在 还是聚沉，取决于粒子间的相互作用，即颗粒问的吸引力和静电斥力的大小，若斥力大于引力，则 悬浮液稳定，反之不稳定“4 1 如前述，颗粒间的引力主要是范德华力，颗粒是许多分子的聚集体，颗粒间的引力是所有分子引 力的总和。颗粒间的作用力与颗粒间距离的三次方成反比，而颗粒间的范德华力为远程力，即在较 远距离时仍有一定吸引力。颗粒间的斥力主要是静电作用力，当颗粒间距离较远时，颗粒间的远距 离范德华力起主导作用，即引力占优势；随颗粒接近，斥力开始起作用：当颗粒接近到一定距离时， 斥力达到最大值，这时颗粒不能靠近，或两颗粒碰撞后又会离开。如果颗粒在其它作用下继续接近， 这时吸引力会由于距离的变小而激增，因此要使颗粒团聚，就必须克服最大的斥力，这是悬浮液在 一定条件下能保持稳定的原因。 5 东南大学硕士学位论文 图1 3 纳米颗粒在悬浮液中所受的作用力 一般外界因素对范德华力的影响很小，但却能强烈地影响颗粒间的排斥能。排斥能与表面电位， 颗粒粒径成正比，表面电位越低，颗粒粒径越小，则排斥能越小，颗粒越易发生絮凝，不利于分散。 另外，双电层斥力易受介质中离子浓度的影响，离子浓度变化将导致排斥力的变化 纳米流体是包含有固体粒子的多相体系，存在界面能的作用，因而是热力学不稳定体系。粒子 间有相互团聚而降低其界面能的趋势。一旦粒子相互团聚变大，最终将导致沉淀。所以，为保持纳 米流体相对的稳定性，可采取以下措施：1 ) 将悬浮液与基液充分混合后，在超声波池内振荡；2 ) 悬浮液中添加适量的分散剂( 表面活性剂) 。也可以两种方法并用，这样悬浮液在实验期间可基本保 持稳定。 张园等州以六偏磷酸钠为分散剂，测得m g o 水纳米颗粒悬浮液在质量分数为o 2 、p h 为8 、 超声时间为2 4 0 s 时，分散效果最佳；其稳定分散作用主要是通过颗粒间的静电作用来实现的。 尽管表面活性剂的加入可以使纳米颗粒悬浮液保持相对均一、稳定，但与此同时也影响着流体 本身的输运性质，从而对沸腾产生影响，掩盖了纳米颗粒的加入对沸腾传热的影响效应。 马淑云等州对乙二醇二元、三元混合物的沸腾传热实验研究表明，表面活性剂的加入对沸腾传 热系数有不同程度的提高，但强化效果随着混合物组分的增加而明显减弱。其原因主要是表面活性 剂的加入促使气泡脱离频率的增加，气泡脱离直径减小，同时增加了汽化核心数。 所以，在本文的实验中，不采用表面活性剂，仅仅是基液与颗粒的简单混合，因此称这样的流 体为“纳米颗粒悬浮液”。 1 2 2 纳米颗粒悬浮液的传热特性研究 目前，国内外的众多学者都对纳米流体这种新型传热流体进行了研究，其中在有效导热系数及 流动传热的理论和实验方面的研究均表明，在基液中加入纳米颗粒可使基液的导热系数及对流传热 6 第一章前言 系数有显著的提高。 1 ) 有效导热系数 e a s t m a n 1 等采用气相沉积法制备了c u o _ 水等几种纳米流体用瞬态热线法测量了它们的导热 系数，实验结果显示，在液体中添加纳米粒子，显著增加了液体的导熟系数，纳米流体的导热系数 随纳米粒子的体积分额的增加而增大。例如，以不到5 的体积比在术中添加氧化镉粒子，则形成的 纳米流体导热系数比水提高了近1 5 。另外，实验还发现，纳米粒子的性质是纳米流体导热系数的 主要影响因素，例如，在水中添加相同体积分额的c u o 和a lz 0 3 纳米粒子，则c u o - 水纳米流体的导 热系数比a 1 z o r 水纳米流体的导热系数大。 y j h w a n g 1 1 等用瞬态热线法测量四种纳米颗粒悬浮液的导热系数，实验结果表明：在体积比 为0 o l 时，水基碳纳米管流体的有效导热系数比水增加了将近1 1 。3 ，并且该结果较h a m i l t o n c r o s s e r 模型计算的稍大。比较结果证明：球形颗粒可以通过h a m i l t o n - c r o s s e r 模型计算导热系数而柱形颗 粒可以通过y a m a d aa n do t 模型计算，模型的计算公式如下所示。有效导热系数的增加取决于纳米颗 粒和基液的导热系数 n a 砌t o n - c r o s s e r 触等= 岽辩苌c 普k 笋 ， k ，k 。+ 咖一1 ) 足，+ ( 足，一。) 。 y a m a d aa n do t 模型 鱼： k ， ( 1 2 ) 其中，n 为纳米颗粒的形状系数，在颗粒为球形时，n = 3 。当颗粒为柱形时，n = 2 c ”2 ( ，。d 。) ， f 为柱形颗粒的长度。 ， m i n s h e n gl i u 。m a r kc h i n g c h e n gl i n 等 t 3 l 研究了在没有加入分散剂的情况下，c u - 去离子水纳 米颗粒悬浮液的有效导热系数随时间的变化，实验结果表明：起始阶段，有效导热系数最大，随着时间 的变化导热系数逐渐变小，当c u 体积浓度为0 1 时，有效导热系数提高达2 38 2 0 0 2 年，k e b l i n s k i 等【1 4 1 从四个方面讨论了纳米颗粒悬浮液有效导热系数变化的情况： 1 )布郎运动的影响：在利用s t o k e s - e i n s t e i n 公式计算的纳米颗粒扩散常数下，经过相 同距离下布郎运动需要的时间比热扩散需要的时间长得多，即布郎运动对传热的直接影响很小。 2 )基液与颗粒的面阻力对有效导熟系数有重要的影响，界面基液的有效导热系数比太空 间基液的有效导热系数高。随着界面厚度的增加，悬浮液的有效导热系数不断增加。 3 ) 纳米颗粒的团聚会加剧颗粒沉淀，但适量的纳米颗粒团聚会增加悬浮液的有效导热系 数，团聚体中纳米颗粒的聚集形态对有效导热系数有很大的影响，团聚越松散，有效导热系数 增加得越多。 4 ) 利用分子动力学对单个纳米颗粒系统进行模拟，发现纳米颗粒与基液界面对有效导热 7 东南大学硕士学位论文 系数的提高起到非常重要的作用。 s u r a n j a ns a r k a r 等 15 】用平衡分子动力学方法模拟铜纳米颗粒悬浮液系统。应用g r e e n k u b o 方法从 原子角度研究不同体积浓度悬浮液的有效导热系数。研究结果表明：悬浮液的导热系数随颗粒体积 浓度百分比呈线性增加。在浓度低于0 4 时，导热系数的变化斜率较大；而在大浓度下( 约8 ) ， 模拟所得结果比h a m i l t o n c r o s s e r 模型大一倍。在加入铜纳米颗粒后，基液分子的运动速度较在纯液 体中要大，在1 浓度时提高4 1 ，而在这种浓度的悬浮液中，颗粒的运动速度比液体分子慢2 8 倍。所 咀，颗粒的布朗运动并不是悬浮液有效导热系数提高的根本原因，导热系数的增加是由于颗粒周围 液体分子的快速运动造成的。w i l l i a me v a n s i t 6 的研究结果也表明了这一点。 国内的研究中，南京理工大学宣益明教授所领导的课题组”，制备出稳定的纳米颗粒悬浮液， 用瞬态热线法测量了粒径为1 0 0 n m 的c u - - 变压器油组成的悬浮液的有效导热系数。实验中纳米颗粒 的浓度低于0 1 ，结果与国外文献所展示的变化趋势一样，印随着纳米颗粒浓度的增加，悬浮液的 有效导热系数有显著的增加。但是，由于纳米颗粒的大小和悬浮液的制备方法不同，测量的结果也 有一定差异。 宣益民等【l ”根据布朗运动理论模拟粒子的无规则运动及聚集过程，用维数来表征粒子团的聚集 结构，文中还导出了纳米流体的导热系数公式，分析了聚集结构对纳米流体导热系数的影响，结果 表明聚集程度越大，粒子团半径越大，导熟系数越小。模型结果与实验结果吻合较好。 2 ) 流动传热 2 0 0 4 年，w e n 【i9 】等对粒径在2 7 5 6 n m 内的a 1 2 0 3 水纳米颗粒悬浮液，研究其在铜管内层流下的 对流换热，发现： 1 )a l ：o ，纳米颗粒的添加，会使层流阶段悬浮液的对流换热较基液有很大的提高，且随 着r e 数和纳米颗粒浓度的增加而增加。 2 ) 纳米颗粒悬浮液换热增加的程度在进口段最为明显，沿轴向逐步降低，纳米颗粒悬浮 液热发展段的长度比基液的长，随纳米颗粒浓度增加而增加。 3 )纳米颗粒悬浮液有效导热系数的增加是其换热增加的主要原因。 戴闻亭，李俊明等 2 0 1 研究了氧化铜纳米悬浮液在内径为o 6 8 r a m 不锈钢细圆管内强迫流动和对 流换热。氧化铜纳米颗粒悬浮液的质量分数为0 0 2 0 0 6 ，分别对去离子水和水一纳米颗粒悬浮液的 流动、传热特性进行了实验测定。实验结果表明：所研究尺度下，层流向湍流过渡早于常规大尺度流 动：悬浮液的压降要大于去离子水的：纳米颗粒的质量分数越大，压力降也越大：悬浮液的对流换热系 数随颗粒质量分数的增大而增大。 陈骁，李俊明等2 1 】研究了细圆管内去离子水和氧化铜的纳米颗粒悬浮液的对流换热特性，根据实 验数据，得到纳米颗粒悬浮液相对于去离子水的对流换熟强化特性实验证明，氧化铜纳米粒子的加 入，强化了去离子水的换热性能，在管径为1 0 1 m m 和l ，2 8 m m 时，强化程度在层流区随r e 的增大而增大， 在过渡区随r e 的增大而减小：在管径为0 6 8 m m 时由于纳米颗粒和小尺度的共同作用，无论在层流还 是过渡流，强化传热的程度均随着r e 的增大而增大层流部分比过渡部分增大得快 p u t r ae ta 1 2 2 1 对一端加热，一，端冷却的水平圆管内a 1 2 0 3 和c u o - * 纳米颗粒的自然对流换热 8 第一章前言 进行了实验研究，实验结果表明：随着颗粒浓度的增加，以及不同颗粒密度的增大，自然对流换热恶化， 李强，宣益民口3 1 建立了测量纳米流体流动与传热性能的实验系统，测量了不同粒子体积份额 的c u 一水纳米流体在层流与湍流状态下的管内对流换热系数和摩擦阻力系数，详细讨论了r e y n o l d s 数和纳米粒子体积份额对纳米流体对流换热系数和摩擦阻力系数的影响实验结果显示，在液体中 添加纳米粒子显著增大了液体的管内对流换热系数，而纳米流体的阻力系数并未增大例如，在水 中添加2 0 体积份额的c u 纳米粒子，相同r e y n o l d s 数条件下，纳米流体的对流换热系数比水增 大了约6 0 综合考虑影响纳米流体对流换热的多种因素，提出了计算纳米流体对流换热系数的关 联式，即： 层流： 协村= 0 4 3 2 8 ( 1 0 + 1 1 2 8 5 c 0 7 5 4 p e 0 2 1 8 ) r e 盯03 ”p r 7 ( 1 3 ) 湍流：n u 一= 0 0 0 5 9 0 0 + 7 6 2 8 6 c o “p e 0 0 0 1 ) r e ：? 2 ”p 学 ( 1 4 ) 通过比较关联式的计算结果与实验数据，表明关联式正确地描述了纳米流体对流换热过程，可 以用来计算纳米流体的对流换热系数 纳米流体的流动和传热模型方面，不少研究者进行了探讨，已提出了一些机理模型和公式。 k h a l i lk h a n a f e r z 4 1 等对回路中的纳米流体的流动和换熟进行了数值研究。将纳米流体作为一种 均匀流体，建立相应的传热模型，采用常规的有限容积法离散控制方程，其中纳米流体的热物理性 质采用不同的方法计算，得出了不同控制参数下的有效导热系数图，并且给出了平均和g r 及颗 粒体积浓度的函数关系，即： n u = o 5 1 6 3 ( 0 4 4 3 6 + c 1o ”1 g r o ” ( 1 5 ) 数值计算结果表明：任一g r 下。传热效果随粒子浓度的增加而增强；采用不同的热物理性质( 密 度、粘度和热扩散率) 计算模型所得到的结果相差很大。 l ： a l m , s a m yj o s e p h 等2 5 】对圆管中的层流强迫对流进行数值研究，把流体看成单一的流体，相 问滑移、压力功和粘性耗散忽略，流体特性用颗粒体积分数的函数计算。他们提出了两种计算模型： 一是特性随温度变化，二是不随温度变化；前者模拟出的结果在低热流密度下使传热强化程度更大， 壁面剪切力更大；而在高热流密度下，前者剪切力小。 m a i g a s i d ie lb e e a y e 等口“分别用单流体模型模拟计算了氧化铝一水和氧化铝一乙烯乙二醇流体 在水平圆管中的层流流动和传热，研究结果表明：对流换热随颗粒浓度增加而强化，但壁面摩擦力 随浓度增加而变大。 h e r i s ，s z e i n a l i 等8 7 1 的实验证实在层流对流换热中均匀模型只在低浓度下较准确，这个浓度界 限为1 0 ( 体积浓度) ，其中氧化铜比氧化铝的理论曲线离实际情况远。 a b e h z a d m e h r 口”分别用单流体模型和混合模型模拟循环管中纳米流体的受迫湍流，用实验证 明混合模型更精确。并且讨论了不同r e 下充分发展段的速度情况。 y i m i nx u a n 2 9 1 用两种模型给出纳米流体换热n u 的计算式，一种方法是将其作为均匀的单相流 体；另一种方法不仅考虑颗粒对导热系数的影响，也考虑了颗粒的运动强化了能量迁移，将速度和 9 东南大学硕士学位论文 温度加上小扰动后计算出n u 的表达式。 d o n g s h e n gw e n ，y u l o n gd i n g ”1 研究了在充分发展的层流区域，颗粒移动对微型通道内纳米流体 流动的影响。流动模型考虑了剪切和粘性引起的颗粒转移，以及布朗运动引起的自扩散。颗粒扩散 使n u 数增大，并且与p e 数及颗粒浓度有关。 1 2 r 3 纳米颗粒悬浮液沸腾传热的研究现状 现阶段，有关纳米颗粒悬浮液沸腾传热方面研究的报导很少，并且尚未得到一致的结论。 d a s 等 3 0 用平均粒径为3 8 n ma 1 2 0 3 水纳米颗粒悬浮液研究了不同粗糙度表面加热管上的沸腾， 流体物理性质的测试中发现，体积浓度l - 4 的范围内，悬浮液粘度随着颗粒浓度的增加而增加，依 然为牛顿流体；有效导热系数随着颗粒浓度和温度的增加而增加；表面张力随颗粒浓度变化不大。 沸腾实验结果证实：表面粗糙度对核态沸腾过热度有重要影响，纳米颗粒的沉积会减小表面粗糙度， 淹没了悬浮液有效导热系数增加所带来的正面影响，使得悬浮液沸腾所需的过熟度较纯水有一定的 提高。 李春辉p ”发现在水平加热管和水平加热丝上的纳米流体沸腾实验的结果有一定的差异。加热管 上的核态沸腾实验的结果和d a s 的研究结果基本相同：而加热后的铂丝表面几乎没有沉积和吸附。 从观察到的实验现象和实验数据的分析可知：