（工程热物理专业论文）纳米流体管内流动的悬浮稳定性与强化传热特性研究.pdf

摘要 为了适应t 业工程中设备小型化，热负荷增加的需要，科研工作者提出了多 种强化传热技术，但传统的通过扩大换热表面等方法已很难满足特殊条件下的传 热和冷却要求。近些年来，纳米技术的逐渐成熟给强化传热领域带来了新的机遇。 研究表明，在液体工质中添加纳米粒子，可显著增加液体的导热系数，增强热交 换系统的传热性能。 本文的研究内容主要围绕纳米流体的制备、稳定性分析、纳米流体的流动与 对流换热特性展开，主要内容包括以下几个方面： l 、纳米流体的制备及分散稳定性分析 将氧化钛粉末与液体介质混合，制备了几种不同浓度的t i 0 2 一水纳米流体， 采用沉降实验、观察粒子形貌特征、测定粒度分布等方法对悬浮液的稳定性进行 了分析。结果表明，超声时间、分散剂浓度、纳米粒子浓度是影响其稳定性的重 要因素。 2 、弯管段对纳米流体管内层流状态下悬浮稳定性的影响 建立了纳米流体管内循环流动的实验装置，对t i o ：水纳米流体弯管内层流 状态下的悬浮稳定性进行理论分析。实验结果表明，与直管中不同纳米流体在弯 管中流动时，r e y n o l d s 增加，粒子浓度略微下降：雷诺数的变化对悬浮液的分散 稳定性有重要影响。例如纳米流体在流经直管r e = 2 0 0 、2 0 0 0 时，相比与制各好 纳米流体，其粒子浓度分别为初始浓度的7 1 5 、9 6 9 ；而对于弯管中流动的 纳米流体，r e = 2 0 0 、2 0 0 0 时，其粒子浓度分别为初始浓度的6 8 5 、8 9 3 。 3 、层流范围内粒子浓度的变化对纳米流体稳定性的影响 采用两步法制备了若干种浓度的纳米流体，研究了流动状态下纳米粒子浓度 对悬浮液稳定性的影响。实验结果表明，r e y n o l d s 一定时，随着粒子质量分数的 增加，其粒子团聚、沉积的百分数会逐渐增大，即悬浮液的稳定性越差。例如， r e = 1 0 0 0 ，当倒= 0 0 0 5 ，a c o = 3 8 ；倒= 0 0 1 5 ，a c o = 5 7 。此外，r e y n o l d s 大小会对这一结果产生影响，当粒子浓度较小时，雷诺数影响不明显，但随着粒 子浓度的增加，r e y n o l d s 越大，悬浮液稳定性越好。例如，彩= 0 0 5 ，当r e = 1 0 0 0 、 2 0 0 0 时，其粒子浓度分别下降4 2 、3 8 ；0 9 = 0 0 1 5 ，当r e = 1 0 0 0 、2 0 0 0 时， 其粒子沉淀的百分比分别为8 3 、5 7 。 4 、纳米流体对流换热特性实验研究 自行设计了测量纳米流体管对流换热系数的实验装置，测量了不同质量份额 的t i 0 2 水纳米流体在r e y n o l d s1 0 0 0 2 5 0 0 范围内的对流换热系数。实验结果显 示，在液体中添加纳米可以显著增加液体的对流换热系数( n u 、h ) ，增强了液 体的换热效果；另外，分别对换热实验段为铜光管、内螺纹管的换热系数进行了 对比。实验结果表明，相比于基础液体纳米流体在内螺纹管内的换热系数降低， 且随着雷诺数的增加降幅增大，随着流体速度的增加，水的换热系数n u 和h 不 断增大，且在螺纹管内增加的比例远高于铜光管。 关键词：t i 0 2 水纳米流体粒_ 了浓度悬浮稳定性对流换热 a b s t r a c t r e s p o n d i n gt ot h en e e dd e v i c em i n i a t u r i z a t i o na n dm o r ee f f i c i e n th e a tt r a n s f e r s y s t e mr e s e a r c h e r sh a v eb e e nd e v o t e dm a n ye f f o r t st oh e a te n h a n c e m e n tt e c h n i q u e s h o w e v e r ，t r a d i t i o n a lm e t h o d ss u c ha s e x p e n d i n gs u r f a c ea r ed i f f i c u i tt om e e tt h e s p e c i a lc o n d i t i o n so fh e a tt r a n s f e ra n dc o o l i n gr e q u i r e m e n t s i nr e c e n ty e a r s ，t h er a p i d g r o w t ho fn a n o t e c h n o l o g yp r o v i d e sn e wo p p o r t u n i t i e sf o re n h a n c e m e n to f h e a t t r a n s f e r t h ee x p e f i m e n t a l i n v e s t i g a t i o n sh a v er e v e a l e dt h a tt h en a n o n u i d sh a v e r e m a r k a b l yh i g h e rt h e r m a lc o n d u c t i v i t i e st h a nt h o s eo fc o n v e n t i o n a ld u r ef l u i d sa n d t h a tt h en a n o f l u i d sh a v eg r e a tp o t e n t i a lf o rh e a tt r a n s f e re n h a n c e m e n t i ti ss h o w st h a r n a n o f l u i d sh a v eb r o a da p p l i c a t i o np r o s p e c t sa n dp o t e n t i a le c o n o m i cv a l u e t h ep u r p o s eo ft h i sp a p e ri st od e m o n s t r a t ee x p e r i m e n t a l l ya n dt h e o r e t i c a l l vt h e f e a s i b i l i t yo ft h ec o n c e p to fn a n o f l u i d s t h i sr e s e a r c hi n c l u d e s o fp r e p a r a t i o na n d s t a b i l i t yo fn a n o f l u i d sa n dc h a r a c t e r i z a t i o nt h eh e a tt r a n s f e rb e h a v i o ro fn a n o n u i d sa u r e i n d i c a t e df r o mt h ef o l l o w i n ga s p e c t s 1 p r e p a r a t i o no fn a n o f l u i d sa n dt h es u s p e n s i o ns t a b i l i t ya n a l y s i s t i 0 2n a n o p a r t i c l es u s p e n s i o nh a sb e e np r e p a r e db ym i x i n gn a n o p a r t i c l e sa n db a s e f l u i d s t h ea u x i l i a r yd i s p e r s a n t so fs d b sa n du l t r a s o n i co s c i l l a t i o nw e r en e c e s s a r yt o o b t a i ns t a b i l i z e ds u s p e n s i o n s s e d i m e n t a t i o ne x p e r i m e n t ，g r a n u l a r i t yt e s tw e r eg i v e n t oi l l u s t r a t et h es t a b i l i t yo fn a n o f l u i d s 2 t h es t a b i l i t yo fp a r t i c l es u s p e n s i o n s f l o w i n gi nl a m i n a rp i p ew i t he l b o w s o l i dp a r t i c l e sa r es u s c e p t i b l et ot h ec e n t r i f u g a lf o r c ea n ds u b s i d e n c eo c c u r r e d a n de v e na b r a s i o nt h e p i p e l i n ew i t h i nt h et w o p h a s ef l o wi np i p ef l u i df l o w a p p a r e n t l y ，i ti sv e r yi m p o r t a n tt or e d u c ep a r t i c l er e u n i o n ，d e p o s i t i o nt oo b t a i ns t a b l e s u s p e n s i o n so fn a n o - f l u i d t h em a i nc o n t e n to ft h i sa r t i c l ei st os t u d yt h es u s p e n s i o n o fn a n o f l u i d sf l o w i n gi nl a m i n a rf l o w t h em e t h o d s c h a r a c t e r i z i n gd i s p e r s i o ns t a b i l i t y i st ou s et h ed i v e r s i f i c a t i o no fp a r t i c l ec o n c e n t r a t i o no fn a n o f l u i d s t r a n s m i s s i o n e l e c t r o nm i c r o s c o p y ( t e m ) a n dp a r t i c l e p a r t i c l ed i a m e t e rs i z ea n dm o r p h o l o g y 3 t h ee f f e c to fp a r t i c l ec o n c e n t r a t i o n r a n g e s i z ea n a l y z e rw e r e u s e dt oo b s e r v et h e o ns t a b i l i t yo fs u s p e n s i o ni nl a m i n a rf l o w c u r r e n t l y ，t h ed i s p e r s i o no fn a n o f l u i d sf l o w i n gi ne l b o wt u b ei sr a r e l yr e p o r t e di n t h el i t e r a t u r e i th a sb e e nf o u n dt h a tt h ep a r t i c l es u s p e n s i o nc a nn o tk e e pas t a b l es t a t e ， w em u s tc o n s i d e rt h ef a c t o ro fd i s p e r s i o ns t a b i l i t yw h e nr e l a t i n gt h ec o n v e c t i v eh e a t t r a n s f e re x p e r i m e n t s 4 e x p e r i m e n t a ls t u d yo fc o n v e c t i v eh e a tc h a r a c t e r i s t i c so fn a n o f l u i d s a ne x p e r i m e n t a ls y s t e mw a sd e s i g n e dt oi n v e s t i g a t ec o n v e c t i v eh e a tt r a n s f e r c h a r a c t e r i s t i c so ft i 0 2f l o w i n gi nat u b e t h er e s u l t ss h o wt h a ta d d i n gn a n o p a r t i c l e s i nl i q u i dc a ns i g n i f i c a n t l yi n c r e a s et h ec o e f f i c i e n to fc o n v e c t i v eh e a tt r a n s f e r t h e m a s sf r a c t i o no fp a r t i c l ei sam a i nf a c t o rt h a ta f f e c t si t se f f e c to nc o n v e c t i v eh e a t t r a n s f e r ，w h i l en o ti n c r e a s e di np r o p o r t i o nw i t hp a r t i c l em a s sf r a c t i o n s t u d i e sh a v es h o w nt h a ta d d i n gn a n o p a r t i c l e si nl i q u i dc a ns i g n i f i c a n t l yi n c r e a s e t h et h e r m a lc o n d u c t i v i t y ，t oe n h a n c eh e a tt r a n s f e rp e r f o r m a n c eo fh e a tc h a n g es y s t e m s t h e r e f o r e ，n a n o f l u i d sh a v eb r o a da p p l i c a t i o np r o s p e c t sa n dp o t e n t i a le c o n o m i cv a l u e - n o w ，r e s e a r c h e r s a r ep a i dm o r ea t t e n t i o no nt h eh e a tt r a n s f e re n h a n c e m e n to f n a n o f u i d s t h i sa r t i c l ep r o v i d e s e x p e r i m e n t a l b a s i st h a th o wt og e ts t a b i l i t y n a n o f l u i d si nad y n a m i cs i t u a t i o na n ds o m eg u i d a n c eu s e di ns c i e n t i f i cr e s e a r c ha n d i n d u s t r i a lp r a c t i c e k e y w o r d s ：t i 0 2 w a t e rn a n o f l u i d s ，p a r t i c l em a s sf r a c t i o n ，s u s p e n s i o ns t a b i l i t y ， c o n v e c t i v eh e a tt r a n s f e r h u舌 刖吾 随着科学技术的快速发展，能源问题日益突出，强化传热不仅可以提高传热 效率，还可以减小设备尺寸、降低初投资；可以显著降低热量输运过程中的能耗。 这对于我国的节能和环保意义重大。一般情况+ 卜 ，强化传热可以从两方面入手， 热交换设备或换热工质，但是随着热交换系统传热负荷和传热强度的不断增大， 对于换热器尺寸和使用环境的限制在一定程度上阻碍了传热技术的进一步发展。 因此，人们开始考虑从换热工质入手，研制导热系数高、传热性能好的高效新型 换热工质。 过去，由于技术水平的限制，通常采用在液体介质中添加金属、金属氧化物 或聚合物等粒予的方法提高液体的导热系数，虽然这些颗粒悬浮液的传热效果比 单相流体大很多，但由于毫米或微米级粒子尺寸较大，实际应用过程中遇到粒子 沉积，磨损、堵塞管道等问题，阻碍了其在工业实际中的应用。 2 0 世纪9 0 年代，随着纳米材料科学的快速发展，有学者开始探索将纳米技 术应用于强化传热领域，研究新一代高效传热冷却技术。经研究表明，在液体中 添加纳米粒子，可显著增加液体的导热系数，提高热交换系统的传热性能，这一 发现具有非常重要的意义。直到1 9 9 5 年，美国a r g o n n e 实验室的c h o i 等 4 1 首次 提出了纳米流体的概念：以一定的方式和比例在液体介质中添加纳米级金属或金 属氧化物粒子，形成类具有高导热系数、均匀、稳定的新型换热工质。 与纯流体或大颗粒悬浮液相比，在低导热系数的工质中加入纳米材料，可以 使流体的导热系数得到人幅度提高；由于纳米粒子比表面积大、表面能高，可以 使流体的比热窖增加，流体流动过程中粒子间、粒子与管壁的碰撞、掺混以及由 此引起的扰动，可显著增强对流传热。同时由于纳米材料的小尺寸效应、颗粒的 布朗运动更容易使悬浮液保持稳定存在。 目前，关于纳米颗粒悬浮液强化传热的研究，已有一些理论和实验方面的报 道，但主要围绕其制备、热物性等方面展开。近几年来，有关纳米流体的对流传 热性能实验方面的研究工作，已经逐步开展起来，但是仍处于起步阶段并且有许 多问题存在。例如，不同研究者实验结论的不一致性，悬浮液不能长时间稳定存 在，分散性较差以及缺少对强化传热机理的理论解释，因此需要进一步实验和理 论研究工作相结合，积累详尽的第一手资料。 第一章绪论 第一章绪论 近些年来，由于纳米科学的循环发展，使得纳米材料应用于传统的强化传热 领域成为可能。经理论与实践证明，纳米流体的有点主要体现在三个方面：一是， 可以显著提高液体介质的导热系数，增强换热设备的传热性能；二是，由于纳米 材料的小尺寸效应，其行为更接近于液体分子，从而使纳米粒子容易保持稳定悬 浮而不沉淀；三是，不易磨损或堵塞管道，甚至还可以起到抗磨损、减小流动摩 擦阻力系数的作用。 目前，包括美国、日本、印度、韩国等国家相继开展了相应的研究工作。但 是作为一种新型的强化换热工质，要将其应用于工业实际，除了测定其导热及传 热性能外，探索其在强化传热的本质和机理方面也是非常必要的。 i i 纳米颗粒悬浮液的制备 纳米流体的制备是研究纳米流体强化传热机理的关键一步，也是其能否应用 于工业实际的前提条件。对于纳米颗粒悬浮液，由于颗粒的比表面积较大，极高 的表面能使粒子有相互靠近、团聚的趋势，以弱化存在的表面能。因此，要使纳 米颗粒均匀、稳定地分散在液体介质中，必须采用微观( 胶体学) 、宏观( 实验) 角度相结合的方法，研究纳米流体的制备技术，从而获得持久稳定的纳米颗粒悬 浮液。 不同于传统的固液混合物，纳米流体是指纳米颗粒在液体介质中形成的均匀 稳定的悬浮液，纳米粒子的行为更接近于液体分子。另一方面，颗粒的表面活性 又是它们容易团聚在一起，形成颗粒沉淀，降低其稳定性。因此，如何使纳米粒 子在悬浮液中保持持久稳定的状态是纳米流体制备的重点。基于此，目前学者提 出了多种制各方法，以期能制备出分散稳定性较好的纳米流体。到目前为止，较 为常用、较为成熟的制备方法主要有气相沉积法和分散法。 1 1 1 气相沉积法制备纳米流体 c h o i 、e a s t m a n n 等n 1 率先采用纳米颗粒制备与悬浮液制备同时进行的方法， 即气相沉积法制备了纳米颗粒悬浮液。具体过程是在充入纯净惰性气体的超高真 空环境内，用激光照射金属靶，使金属受热蒸发产生金属烟雾，烟雾与惰性气体 碰撞迅速损失能量而冷却，在烟雾中造成很高的局域过饱和，导致均匀的成核过 第一章绪论 程，烟雾接近充液氮的冷却棒时，金属蒸汽首先形成原子簇，进而形成单个纳米 颗粒，落入液体中形成纳米流体。通过改变金属和液体的种类，就可以制备不同 类型的纳米流体。e a s t m a n n 等1 在采用这种方法制备了c u 0 水，c u 一机油、a 1 m 0 一 水等几种纳米流体，通过t e m 观察及静置实验发现，该悬浮液可稳定存在几天甚 至一周左右。l i 等盯3 利用高频加热装置将锌加热成蒸气，密封容器中在离子水中 凝结，氧化形成z n o 去离子水纳米流体。经t e m 观察，纳米粒子分散均匀，没 有大的团聚体产生。 1 1 2 分散法制备纳米流体 制备纳米流体的另一种方法是分散法， 究最多、应用最广的制备纳米流体的方法。 化学分散 即通常说的两步法。分散法是目前研 一般情况下，分散可分为物理分散和 物理分散是指借助于超声波、机械力等外力将悬浮液中团聚的纳米粒子打 开，形成粒径较小的颗粒悬浮液。其中，机械分散是指通过强烈的机械搅拌引起 液流强湍流运动而造成颗粒聚团破碎；超声波分散是指超声波在液体介质中产生 空化作用，使各组分产生共振而引起团聚体破碎。物理分散的优点是简单有效， 缺点是持续时间段，颗粒会重新聚结。因此，要想使纳米颗粒长时间内呈现有效 的分散状态，还需要辅之于化学分散。 化学分散是指在纳米流体中添加分散剂，使其在颗粒表面吸附，改变颗粒表 面的性质，从而改变颗粒与液相介质、颗粒与颗粒间的相互作用，使纳米粒子与 粒子之间有较强的排斥力，进而保持悬浮稳定的状态。 x u a n 等时1 在研究纳米流体的强化传热时，分别制备了c u 一机油、c u - 水纳米 流体作为实验样品。其中样品c u 一机油选择油酸作为分散剂，超声振荡1 0 小时， 结果显示悬浮液可以稳定存在一周左右而无沉淀产生；对于样品c u - 水纳米流体， 选择月桂酸盐作为分散剂，超声振荡时间同样选择1 0 小时，结果显示样品可以 稳定存在3 0 小时。 d i n g 等1 在研究多壁碳纳米管悬浮液的传热性能时，指出超声振荡、添加分 散剂等是提高悬浮液稳定的有效手段。经过多次实验测定得出月桂酸钠( s l ) 、 十二烷基苯磺酸钠( s d b s ) 可以有效地防止粒子团聚，悬浮液可以稳定存在一个 月以上而没有沉淀产生。 m u r s h e d 等n 0 3 在制备t i 0 2 水纳米流体时分别采用油酸和十六烷基三甲基溴 化铵( c t a b ) 作为分散剂。通过对比发现，以c t a b 作为分散剂的纳米流体稳 定性更好 第一章绪论 h u w a n g 等1 用分散法制备了多壁碳纳米管一水纳米流体。由于多壁碳纳米 管在水中易缠绕和团聚，因此在制备时加入十二烷基硫酸钠( s d s ) 作为分散剂， 然后连续超声分散2 h ，获得了分散稳定的多壁碳纳米管一水纳米流体。李泽良等 引、z h a n g 等、c h o p k a r 等n 们均通过超声分散和添加分散剂的方法制各出了稳 定的纳米流体。上述研究表明采用物理分散和化学分散相结合的方法能够制备出 稳定的纳米流体。 强爱红n m 1 在制备纳米颗粒悬浮液( c u o ) 时选用了十二烷基苯磺酸钠、聚 丙烯酸钠、水性超分散剂等集中分散剂，并分别对其分散性能进行了测试。通过 对比实验发现，聚丙烯酸钠具有较好的分散性能。 宋晓岚等力通过添加表面活性剂、超声波分散、磁力搅拌制备了s i 0 2 水纳 米流体。对所制备的纳米流体的z e t a 电位和吸光度进行测量，结果表明z e t a 电 位绝对值越高，吸光度越大，纳米流体的分散稳定性越好。在超声振荡条件下， 选用合适的分散剂及p h 值范围能够提高z e t a 电位绝对值，从而提高纳米流体的 稳定性。 1 1 3 两种制各方法的优缺点 一般来说，分散法程序较为简单，费用低，并且制备的纳米流体种类不受 限制。分散法的缺点是制备的纳米流体稳定性不及一步法制备的纳米流体，并且 还需要采用一定的分散技术，如加入分散剂、碾磨等解决其悬浮稳定性问题。 相比于分散法，一步法制备的纳米流体粒子尺寸较小，并且在液体介质中分 散均匀，稳定性好。缺点是该方法对设备的精度要求较高，一次制备的悬浮液量 较小，不适合规模生产。但是，由于制备的纳米流体分散稳定性好，所以在实验 研究中对样品的要求较高时应该选择这种方法。 1 2 纳米流体悬浮稳定性的分析 纳米流体是包含有固体粒子的多相体系，粒子存在界面能作用，是热力学不 稳定体系。对于纳米级的固体粒子，粒子与粒子之间有相互团聚而降低其界面能 的趋势，称之为团聚不稳定性。另一方面，粒子极小，强烈的b r o w n 运动能阻止 其在重力场中的沉降，因此具有动力学稳定性。其中动力学稳定性更为重要，一 旦失去这种作用，粒子将会相互聚结，从而失去动力学稳定性业。 在纳米流体固一液两相流体系中，由于纳米材料的小尺寸效应，质量力不再 对粒子的运动趋势其主导作用，而范德瓦尔斯引力与双电层斥力这两种表面力的 相对大小决定了纳米粒了的分散或团聚，是影响纳米流体分散稳定的决定因素。 第1 章绪论 因此，对于纳米流体悬浮稳定性的研究，必须从微观角度出发，分析作用在 单个纳米粒子上的表面力。从纳米流体的定义出发，体系中颗粒的粒径在1 0 0 n m - 1 0 0 0 n m 之间近似于胶体粒子，所以可以用胶体的稳定理论来探讨纳米粒子的分 散性。胶体的稳定或聚沉取决于粒子间的排斥力和吸引力大小。排斥力使颗粒之 间分散，增加粒子在介质中的稳定性，而吸引力则使粒子团聚。 由于纳米流体的整个体系中是电中性的，当纳米粒子带电时，液相中必然存 在着与之相对的离了，这些粒- 了称为反离予。对于这些反离了，一方面受到静电 吸引作用有向粒子表面靠近的趋势；另一方面其受到热扩散作用有整个体系中均 匀分布的趋势。因此，反离子在液相中形成平衡分布，越靠近界面其浓度越高， 远离界面时其浓度越低。粒子表面的电荷与介质中反离子电荷构成双电层。 前苏联学者d e u a g u i n 和l a n d a u 与荷兰学者v e r w e y 和o v e r b e e k 分别独立提 出胶粒之间存在v a nd e rw a a l s 引力势能和双电层斥力势能，据此对纳米颗粒悬 浮液的稳定性进行了定量处理，比较完善地解释了粒予稳定性和电解质影响的理 论，称之为d l v o 理论“”州。 ( 1 ) 粒子间的v a n d e r w a a l s 引力势能 粒子是大量分予的聚集体。根据h a m a k e r 假设，质点间的相互作用等于组 成它们的各分子对之间的相互作用的和。由此，两相同大小的球形粒子间的范德 瓦尔斯引力势能为： k 一啬 式中，k 为v a nd e rw a a l s 引力势能( 引力势能规定为负值) ；a 是球形半 径；日是两球间的最短距离：a 是h a m a k e r 常数。h a m a k e r 常数是一个重要的参 数，它与粒子的性质有关，是物质的特征常数，具有能量的单位，一般在1 0 。1 9 l o 叫o j 之间。式卜2 表示的是两粒子在真空中的引力势能，对于分散在介质中的 粒子，式中的a 必须用有效h a m a k e r 常数代替。对于同一物质的两个粒子： a 1 ：。= ( “他一a 2 2 i 2 ) 2 ( 1 2 ) 式中，a l ：。是粒子在液体介质中的有效h a m a k e r 常数，a i 。和a ：分别表示粒 子和介质本身的h a m a k e r 常数。式卜2 表明，k 随粒子粒径的增大而增大；随 粒子间距离的增大而下降。 ( 2 ) 双电层斥力势能 d 第一章绪论 在粒子表面电荷的来源一节中提到，纳米粒子在介质中对介质中阴、阳离子 的不等量吸附而带电荷。例如纳米金属悬浮在水中时，通过吸附h + 或o h - 而带正 电荷或负电荷。根据双电层理论，当两粒子的双电层发生重叠时，粒子对重叠区 的作用不能被反离子氛完全屏敞。重叠区反离子浓度增大，这样既破坏了双电层 中离子的平衡分布，又破坏了双电层的静电平衡。前一种平衡的破坏使粒子自浓 度大的重叠区向未重叠区扩散，从而产生渗透性的排斥力；后一种平衡的破坏引 起粒子间静电性排斥力。这两排斥力构成了双电层的斥力势能，它们的大小与粒 子的形状有关。 两相同大小的球形粒子间的斥力势能n 州： k = 竽e x p ( 枷) ( 1 3 ) 式中，为单位面秋上的斥力势能；a 为颗粒半径；h 为两球形粒子间的最 短距离；，2 。为体离子浓度，即双电层外单位体积内的正或负离子数；k 。为玻尔 兹曼常数；t 为体系热平衡温度；k 为一个重要参数，其倒数具有长度的单位，k _ 1 表示液体中空问电荷重心到颗粒表面的距离，通常称为双电层厚度：为一个 与双垫层电势有关的一个参数。 ( 3 ) 粒子间的相互作用势能 纳米粒子中粒子间的相互作用势s m v 是引力势能和斥力势能之和，即 v = v a + k ( 1 4 ) 图卜l 口剐是n ，和y 随粒子间距变化的示意图。从图中可以看出，随着粒 子间距离的增加，以下降的速度比k 缓慢的多。当粒子逐渐靠近时，引力势能 先起作用：随着粒子间距的进一步减小，的影响逐渐大于u ，形成一个极小 值，称为第二极小值。但当两粒子靠近到一定距离后，n 的影u 向又超过k ，所 以总势能逐渐变小，在y 曲线上出现一个峰值，称为势垒。但粒子相距极近时， 由于电子云的相互作用而产生b o r n 斥力势能使v 急剧上升，又形成一个极小值， 称为第一极小值。 第一章绪论 逻 五 i 票 馨 、 、 、 、 、 尸一- 分离距离 ，一一即m j i h v ，7 吸弓j 惩u u 第一最小德 图卜1 颗粒问的相互作用势能 势垒的大小是对粒子的团聚起到关键作用。当势垒较大时，较大的势垒值能 够阻止粒子进一步靠拢，防止团聚的产生；而当势垒很小时，粒子的热运动完全 可以克服它而发生聚沉。从图卜1 中可以看出，提高位势垒值的方法有两种，增 大粒子表面的静电斥力或减小颗粒间的范德华吸引力。 1 3 纳米颗粒悬浮液强化导热系数研究进展 导热系数是强化传热方而重要的参数。目前关于纳米流体强化导热方面的研 究进展，主要有以下三个方面：一是固体粒子的加热改变了基础液体的结构，增 强了混合物内部的能量传递过程；二是由于纳米粒子的小尺寸效应，粒子的微运 动使粒子与液体之间有微对流存在，强化了液体的能量传递，从而提高了纳米流 体的导热系数。三是由于纳米粒子的无规则运动，粒子所携带的能量在迁移过程 小大大强化了液体内部能量的传递，使纳米流体的导热系数得到强化。 目前，有关纳米流体导热系数的文献中，对导热系数测量的方法主要有三种， 瞬态热线法( t r a n s i e n th o tw i r em e t h o d ) 、稳态平板法( s t e a d y s t a t e p a r a l l e l p l a t e t e c h n i q u e ) 和温度摆荡法( t e m p e r a t u r eo s c i l l a t i o n ) ，其中瞬态热线法应用最广。 c h o i 在提出“纳米流体”的概念后，运用传统的液固两相混合物导热系数 关联式预测了纳米流体的导热系数。结果显示，纳米流体可以显著提高热交换系 统的传热性能，较传统换热工质具有许多潜在的优势。 e a s t m a n n 等比叫制备了c u o 水、c u 机油、a 1 2 0 3 水等几种纳米流体，并测量 了上述纳米流体的导热系数。结果显示，在液体介质中添加纳米粒子，可显著增 拦世l 第一章绪论 加液体的导热系数，例如，在基础液体水中添加体积分数为5 的c u o 纳米粒子， 其导热系数提高1 5 以上。 l e e 和c h o i 等口采用瞬态热线法，测量了c u o 一水、a 1 2 0 3 水、c u o 一乙二醇、 a 1 2 0 3 一乙二醇纳米流体的导热系数。结果表明，体积份额为4 o 的c u o 水纳米 流体其导热系数增加2 0 以上；c u o 一水纳米流体的导热系数高于a 1 2 0 3 水纳米 流体；同一种纳米粒子，基础液体为乙二醇时导热系数增加的比例最高。 国内，南京理工大学宣益民教授睢 州率先开展了纳米流体方面的研究工作。 包括纳米流体的制备技术，并通过瞬态热线法测量了导热系数、粘度等。 谢华清等心副运用瞬态热线法测量f 了不同体积分数的a 1 2 0 3 和s i c 纳米颗粒在 水和乙二醇介质中的导热系数，并在k e b l i n s k i 与c h o i 的纳米流体强化导热系数 分析观点的基础上，进行了纳米流体强化导热系数机理的简要分析。 m u r s h e d 等刮运用瞬态热线法对悼形和球形t i 0 2 水纳米流体的导热系数进 行了测量。实验结果表明：其导热药数随纳米颗粒体积分数的增大而增加，体积 含量为5 0 t 1 0 2 一水纳米流体，其导热系数比水增大的比例为3 3 。 d a s 等心刊研究了c u o 水和a 1 2 0 3 水纳米流体的导热系数随温度的变化关系， 导热系数的通过测量热扩散系数间括 获得。结果表明，随着纳米流体温度的提高， 其导热系数也相应增加，这使得纳沭i ：流体在高密度散热领域具有广阔的应用前 景。 到目前为止，有关纳米流体导热方面的研究中，碳纳米管( c n t ) 纳米流体 的导热系数增加最大。y u 等胡测量了碳纳米管一油纳米流体的导热系数，其实验 测量数值远高于由h a m i l t o n c r o s s e r 公司估算的数值。l l a g u n o 和b i e r c u k 等口”o 测量了单壁碳纳米管一水和碳纤维一水悟内米流体的导热系数。结果表明，在水中添 加1 0 w t 的纳米粒子，其导热系数增加的比例分别为1 2 5 、4 5 。 从以上的研究研究总结可见，在液体中添加纳米粒子可以显著增加液体的导 热系数，而且导热系数大于有传统固i 液关联式得到的数值。纳米流体的导热系数 与纳米颗粒的种类、体积分数、尺寸、形状以及分散状况等因素有关。 1 4 纳米颗粒悬浮液强化对流传热的研究进展 美国a r g o n n e 国家实验室率先开展了纳米流体的对流传热研究。他们认为使 用纳米流体作为传热工质，将会对开发高效热流技术有重大突破。将纳米流体应 用于热交换设备，既可以减小换热器i l t o ) 2 寸，又能降低运行成本、提高换热性能。 l e e 掣3 1 1 对纳米流体应用于微型换热器进行了尝试，并比较了水、液氮、金属纳 第章绪论 米流体的换热性能。实验结果表明，当以纳米流体作为传热工质时，热交换器热 阻减小、热流密度增加，系统的传热强度可达到3 0 m w m 2 。 p a k 和c h o 。世。测试了7 一a 1 ：0 。一水和t i 0 ：一水纳米颗粒悬浮液在湍流状态下的对 流传热系数和阻力系数。实验结果表明，在相同r e 下，悬浮液的对流传热系数 远大于水而且随粒子浓度的增大而增加；粒子的种类、粒径大小是影响其传热性 能的重要因素；相同流速条件下，由于粘度的增加，体积分数为3 的t i 0 2 水纳 米流体的对流换热系数比纯水低1 2 。 李强、宣益民。卜对c u 一水纳米流体在小通道扁管内的流动特性与对流换热 特性进行了研究。实验测量了纳米糕c 子体积份额为o 3 - - 一2 o 的纳米流体在雷 诺数8 0 0 2 5 0 0 0 范围内的管内对流换热系数。结果显示，在液体中添加纳米粒 子增大了液体的对流换热系数，强化了传热效果；相同雷诺数下，纳米流体的对 流换热系数随粒子体积份额的增加而增大。如，粒子份额从0 5 增加到2 o ， 与纯水相比，纳米流体对流换热系数艚加比例从6 增大到6 0 ，而流体的阻力系 数几乎没有发生变化。 d i n ge ta 1 刮x , j 4 5 m m 内径管内的c n t 纳米流体导热系数和层流入口段沿程 对流传热系数进行了实验研究。结果显示，其对流换热系数增加最高达3 5 0 ， 大大超过了其导热系数的强化率，显示了碳纳米管( c n t ) 纳米流体超强的换热 能力。c h e n 等州也得出了相同的结论，相比于纯水，质量分数为0 5 的纳米流 体其导热系数仅增加5 左右，而对二j p 对流换热系数( h ) ，当r e ：1 7 0 0 时，其强 化率可达2 5 ，大大超过了导热系劐：的强化率。 w e n 。瑚对a 1 2 0 3 一水纳米流体在层流条件下的对流传热特性进行了研究。如图 卜2 所示，纳米流体的强化效果随着霞诺数和颗粒体积分数的增大而增加；离入 口段越近，强化效果越强。 图卜2a 1 ：0 。一水纳米流体对流换热系数随入口段距离曲线图 第一章绪论 f a u l k n e r 等。“。研究了碳纳米管一水纳米流体在微通道内、强制层流条件卜的 对流传热性能。实验结果显示，在较l 低雷诺数( r e ) 下，纳米流体系统中存在一 个拟湍流区，促进了流体的混合，强i 化了传热；随着颗粒浓度的增加，颗粒团聚 增加，会出现传热恶化的现象，因似5 强化传热存在一个最优颗粒浓度。 宣益民等圳测量了不同体积分数】的c u - 水纳米悬浮液在管内层流和湍流状态 下的对流传热系数。如图卜3 所示：纳米颗粒悬浮液的对流传热系数随着粒子浓 度和雷诺数的增加而增加。在实验的i 基础上，作者综合考虑了影响纳米流体对流 换热的多种因素，提出了计算纳米颗粒悬浮液对流换热系数的关联式，并与实验 结果进行了比较。 1 4 ， 主1 2 1 0 r ( ) o 1 2 c q o 1 6 0 02 0 0 02 4 0 0 r e 图卜3 层流区c u 一水纳米流体n u 随r e 的变化情况 谢华清等叼研究了a 1 = 0 。一水纳米流体的平均对流传热系数，发现添加纳米颗 粒对提升介质的传热系数有显著效果| ：在相同雷诺数下，基液中纳米颗粒的体积 含量增加，则平均对流传热系数随之增加。另外指出，纳米颗粒的加入对原流体 介质热物性的优化以及在流动过程中纳米颗粒的混乱运动产生的热散射是纳米 颗粒悬浮液强化对流传热的两个重要悃素。 作为一种新型的强化传热工质，枘米流体的强化传热特性已为许多实验研究 所正式。但是，目前纳米流体对流传热的实验研究还比较少，主要局限于在水平 圆管内，而且许多研究者的实验结果也不一致，这与不同研究者制备的纳米流体 的实际分布和稳定性有很大的关系。纳米流体的对流传热主要集巾在c u o 、 a 1 2 0 3 、t i 0 2 、石墨和碳纳米管等几种纳米粒子上，其实验研究取得了阶段性成 果，发现了一些共同的规律，传热系敞随着颗粒体积分数、r e 和p e 的增加而增 加；纳米流体的强化效果与粒子属性、形状和基液属性等因素有关。与此同时， 也对纳米流体强化对流传热的机理有了一定认识：纳米粒子的加入在不同程度上 增加了静态导热系数；流动状态下的聘切作用使得纳米流体的的换热系数进一步 o 。o 含 o 占毕 。o攀。a巴日 口0 鼍一 撷额额额颥 4 )!，p-j 矧引剧均倒列矧钏 辍熊肚冰 蚕|懒懒懒懒懒 ：。，。-。 然默燃 小馨叁 第章绪论 强化；纳米颗粒的运动和重新分布引【起的导热系数和黏度的非均匀分布、颗粒运 动延缓边界层发展等都对纳米粒子黜化传热起到了一定的积极作用。 1 5 本论文的主要研究内容 由于纳米颗粒的比表面积大，极高的颗粒表面能使它们很容易团聚在一起， 形成大的团聚体。因此，女i i 何使纳米i 粒子均匀、稳定地分散在液体介质中，是将 纳米流体应用与强化传热的前提。 在已有文献中，仅在制备纳米流1 体时关注其悬浮稳定性，而在涉及到纳米流 体导热与对流换热的流动实验中，并 没有考虑粒子浓度的变化。但是纳米流体的 导热系数、对流换热系数与其粒子浓i 度密切相关。此外，通过文献调研、前期的 实验结果可以得出，纳米流体在管内i 循环流动时会出现粒子沉积、浓度减小的现 象；特别是在流经弯曲管道时，受到离心力的作用，粒子沉积更为明显。 基于此，本文以t i 0 2 水纳米流体为研究对象，建立流体循环流动的实验台， 对纳米流体的悬浮稳定性作进一步砂| = 究；同时，为了探讨悬浮液在管内的对流换 热特性，设计了一套测试流体传热性能的实验装置，对纳米流体在铜光管与内螺 纹铜管内的传热性能进行了研究。 论文的主要工作有： 1 纳米流体的制备及分散稳定性分析 将氧化钛粉末与液体介质混合，制备了几种不同浓度的t i o ：一水纳米流体， 采用沉降实验、观察粒予形貌特征、测定粒度分布等方法对悬浮液的稳定性进行 了分析。 2 弯管段对纳米流体管内层流状态下悬浮稳定性的影响 建立了纳米流体管内循环流动的实验装置，对t i 0 2 水纳米流体弯管内层流 状态下的悬浮稳定性进行理论分析。 采用两步法制备了若干种浓度的纳米流体，研究了流动状态下纳