（工程热物理专业论文）多壁碳纳米管悬浮液沸腾换热性能研究.pdf

浙江大学博士学位论文摘要 摘要 纳米流体的沸腾换热效果及原因分析存在很大争议，或将核态沸腾恶化归结为沸腾 表面粗糙度的变化，不然则将其并临界热流密度的强化归结为导热系数及液体对沸腾表 面浸润能力的提高作者则认为影响纳米流体沸腾换热效果的主要因素为其基本热物理 性质及纳米颗粒在沸腾表面沉积和结垢，沸腾换热的效果随过程的延长及垢层微结构的 变化而变化：先前，纳米流体的沸腾换热的研究主要集中于核态化沸腾区域，过临界沸 腾区域的研究尚未开展。据此实际，本文开展相关工作。 用瞬态热线法和哈克粘度计测定通过分散剂稳定的多壁碳纳米管水溶液的导热系 数和粘度，对比分析预混酸处理多壁碳纳米管和通过添加分散剂两种方法制备的悬浮体 系的稳定性及稳定机理，同时探讨纳米颗粒强化导热系数及纳米颗粒改变工质粘度的机 理。多壁碳纳米管的添加没有根本性强化工质的导热系数，工质的粘度也没有数量级的 增加。纳米颗粒的添加而引起的对流、颗粒的聚集结构及悬浮体系的化学性质等因素综 合作用影响工质的导热系数，纳米颗粒的聚集结构是悬浮体系呈现非牛顿流体特征的根 本原因。 通过在直径为1 2 砌的沸腾表面进行的多壁碳纳米管阿拉伯树胶水溶液的大容积沸 腾实验研究纳米流体的沸腾换热特性，澄清莫衷一是的文献结果。纳米流体的沸腾换热 效果弱于阿拉伯树胶水溶液，烧毁点的过热度增加而临界热流密度减小，同时，阿拉伯 树胶水溶液的换热效果劣于水的换热效果。纳米颗粒在沸腾加热表面富集、结垢引起沸 腾表面附近液体密度、沸腾表面上活化核心数目的改变；随沸腾时间的延长，垢层结构， 包括毛细孔直径、空隙率、垢层厚度，不断发生变化，进而引起蒸汽在毛细孔中的流动 阻力不断增加、加热表面和垢层间热阻增加，沸腾表面的活化核心数目减小：拉伯树胶 在蒸发表面附近的局部富集、液体粘度大大增加，最终导致沸阿拉伯树胶水溶液腾换热 恶化。 用镀镍铜球作为瞬态量热器，通过铜球淬火得到淬火曲线，计算出纳米流体及其作 为对比液的水及阿拉伯树胶水溶液的特征沸腾曲线，以了解纳米流体的沸腾换热特性， 特别是在烧毁点及以后的沸腾换热特性。对比于水，阿拉伯树胶水溶液的临界热流密度、 过渡态沸腾及l e i d e n f i - o s t 点换热性能得到强化；纳米流体的临界热流密度高于阿拉伯树 胶水溶液的临界热流密度。阿拉伯树胶水溶液对镀镍铜板表面的浸润能力得到提高；镀 镍铜球表面在每次实验后都有少量纳米颗粒沉积。分散剂的存在改善了液体的浸润特 浙江大学博一学位论文摘要 性，改变了汽泡在沸腾换热表面的成长机制，使液体在烧毁点及l e i d e n f r o s t 点之间的 沸腾换热性能得到强化；纳米颗粒在沸腾表面的沉积也通过改变汽泡成长机制强化液体 的临界热流密度。 为研究纳米流体的沸腾传热效果，进行了以碳纳米管悬浮液充装的重力热管的沸腾 特性实验。以碳纳米管悬浮液为工质的重力热管的起沸温度、温度漂移及蒸发段管壁温 度比水工质热管的高，热管的整体热阻增大，换热性能恶化。通过测定，水中添加碳纳 米管颗粒后悬浮液的表面张力增大，使得加热壁面的活化成核点密度、数量、脱离频率、 气泡体积及气泡间聚合能力发生改变；气一液界面处的温度梯度和浓度梯度引发 m a r a n g o n i 流动；易蒸发组分水在界面处的蒸发产生质扩散效应；同时，纳米颗粒使液 体对沸腾表面的浸润能力增加，从而使沸腾表面的汽化核心受到湮没，沸腾表面的活化 核心点数目减少。几种因素的共同作用使热管蒸发段管壁和热管的起动温度上升，热阻 增大，热管的传热性能恶化。 纳米流体的导热系数受到内部颗粒聚集结构的强烈作用，而沸腾换热特性则主要受 纳米颗粒在沸腾表面沉积、结垢的影响。随过程的继续，两者必将受到削弱。 关键词：纳米流体，沸腾，传热，热物理性质，沉积 i l 浙江大学博士学位论文 a b s t r a c t a b s t r a c t t h e r ea r em a n yd i s c r e p a n c i e sa n dc o n t r a d i c t i o n sa b o u tt h en a n o f l u i db o i l i n gh e a tt r a n s f e r p e r f o r m a n c ea n dt h er o o t s s o m eg o tt h er e s u l t st h a tn a n o p a r t i c l e sd e t e r i o r a t et h en u c l e a t e b o i l i n gh e a tt r a n s f e ra n dp r e s u m e dt h a tt h es u r f a c er o u g h n e s sb e c o m e ss m o o t h e rd u et o d e p o s i t i o no f t h en a n o p a r t i c l e sa n dt h e c o n c u r r e n tr e d u c t i o no f n u c l e io f v a p o rb u b b l e o t h e r s c o n c l u d e dt h a tn a n o f l u i dw e t st h eb o i l i n gs u r f a c ee a s i e rt h a nt h eb a s ef l u i d ，a n dt h a td r y o u ti s d e l a y e db yc o n t i n u o u ss u p p l yo fl i q u i d t h ea u t h o rc o n j e c t u r e st h a tt h et h e r m o p h y s i c a l p r o p e r t i e so fn a n o f l u i d ，d e p o s i t i o na n df o u l i n go fn a n o p a t i c l e ，a n dc h a n g eo ft h ef o u l m i c r o s t r u c s t u r ew i t ht i m ew o u l db et h ek e yf a c t o r st od e t e r m i n et h en a n o f l u i db o i l i n gh e a t t r a n s f e rb e h a v i o rt h el i t e r a t u r e so nn a n o f l u i db o i l i n gh e a tt r a n s f e rm o n o t o n o u s l yf o c o u so n t h en u c l e a t er e g i m ea n do nc r i t i c a lh e a tf l u x ( c h v ) t h ep o s t - c r i t i c a lr e g i m eh a sn o ty e t t o u c h e du p o n r e l e v a n tw o r k sh a v eb e e nt h u sc o n d u c t e d t h e r m a lc o n d u c t i v i t ya n dv i s c o s i t yo f t h em u l t i w a l l e dc a r b o nn a n o t u b e ( c n t ) n a n o f l u i d s t a b i l i z e db yd i s p e r s a n tw e r em e a s u r e db yt r a n s i e n th o tw i r em e t h o da n dh a a k ev i s c o m e t e r , r e s p e c t i v e l y s t a b i l i t yo ft h en a n o f l u i d sf o r m u l a t e db yc o n c e n t r a t e d a c i dm i x t u r ea n db y a d d i t i o no fd i s p e r s a n tw a sc o m p a r e d m e c h a n i s m s u n d e r l y i n g t h em o d i f i e dt h e r m a l c o n d u c t i v i t ya n dr h e o l o g yo f t h en a n o f l u i dw e r ep r o v i d e d t h e r m a lc o n d u c t i v i t ya n dv i s c o s i t y o ft h en a n o f l u i dc h a n g em a r g i n a l l y m i c r o c o n v e e t i o nd u et on a n o p a r t i c l e ，a g g r e g a t i o n , a n d c h e m i s t r yo ft h es u s p e n s i o ni m p a c t sb o t hp a r a m e t e r sm e t h o n e da b o v e n o n - n e w t o n i a n b e h a v i o ro f t h en a n o f l u i di sd o m i n a t e db yt h ea g g r e g a t i o n t oc l a r i f yc o n t r o v e r s i e sa b o u tt h eb o i l i n gh e a tt r a n s f e rc h a r a c t e r i s t i c so fn a n o f l u i 正 n u c l e a t ep o o lb o i l i n ge x p e r i m e n t sw e r ep e r f o r m e do na1 21 1 1 1 1d i a m e t e rc o p p e rs u r f a c e u t i l i z i n ga q u e o u sg u ma r a b i c ( g a ) s o l u t i o no f c n t a sc o m p a r e dw i t ha q u e o u sg as o l u t i o n ， n u c l e a t eb o i l i n gh e a tt r a n s f c rc o e f f i c i e n to fn a n o f l u i di sl o w e r e da tt h es a m es u p e r h e a ta n da r e d u c e dc h fe x t e n d e dt oh i g h e rt e m p e r a t u r ed i f f e r e n c eb e t w e e nt h ef u i da n dt h eh e a t i n g w a l l b o i l i n gh e a tt r a n s f e rp e r f o r m a n c eo fw a t e ri sd e t e r i o r a t e db ya d d i t i o no fg ap o w d e r d e n s i t yo ft h ef u i di nt h ev i c i n i t yo ft h eh e a t i n gw a l li sl o c a l l yi n c r e a s e da n dn u c l e io nt h e s u r f a c ea r ef l u c t u a t i n gw i t hd e p o s i t i n ga n df o u l i n go f t h en a n o p a r t i c l e s m i c r o s t r u c t u r eo f t h e f o u l ，i n v o l v i n gd i a m e t e ra n dl e n g t ho ft h ec a p i l l a r ya n dp o r o s i t y , c h a n g e sw h i l eb o i l i n g p r o c e e d s t h ed e p o s i t i n gp r o g r e s sg r a d u a l l yi n c r e a s e st h ed e n s i t ya n dt h i c k n e s so f t h ed e p o s i t ， d e a c t i v a t i n g t h el a r g e rn u c l e a t i o ns i t e sa n dc l o s i n gt h ec a p i l l a r i e s t h eh e a tt r a n s f e r c o e f f i c i e n ti sr e d u c e da n de v e n t u a l l yl e v e l e do f fb yt h ea d d i t i o n a lr e s i s t a n c eo ft h ed e p o s i t s i nt h en e i g h b o r h o o do ft h e h e a t i n gw a l l ，s i n c ev i s c o s i t yi sm a r k e d l ye n l a r g e d d u et o 1 1 1 浙江大学博士学位论文 a b s t r a c t e v a p o r a t i o no ft h ev o l a t i l ec o m p o n e n ta n dl o c a le n r i c h m e n to fg a ，b o i l i n gh e a tt r a n s f e ro f a q u e o u sg a s o l u t i o ni sd i m i n i s h e d c h a r a c t e r i s t i cb o i l i n gc u r v e ，d e t e r m i n e db yt r a n s i e n tc a l o r i m e t e rm e t h o d ，w a se m p l o y e d t og a i ni n s i g h ti n t ot h eb o i l i n gh e a tt r a n s f e rp e r f o r m a n c eo fc n t n a n o f l u i d s p e c i a li n t e r e s t s h a v eb e e nf o c u s e do ni nt h ep o s t c r i t i c a lr e g i m e c o m p a r a t i v e l y , c h f , t r a n s i t i o n a lb o i l i n g h e a tt r a n s f e rr a t e ，a n dh e a tf l u xa tl e i d e n f r o s to fw a t e ra r ea u g a m e n t e db yd i s p e r s i o no fg a p o w d e r c h fo f n a n o f l u i di sh i g h e rt h a na q u e o u sg a s o l u t i o n i ti so b s e r v e dt h a tg as o l u t i o n w e t st h ec o p p e rs h e e tm u c he a s i e rt h a nw a t e rd o e sa n dt h a tt h e r ei sat r a c eo f d e p o s i t so nt h e c o p p e rs p h e r es u r f a c e ，i m p r o v e dw e t t a b i l i t yb yt h ep r e s e n c eo ft h ed i s p e r s a n tr e n o v a t e st h e h e a tt r a n s f e rm e c h a n i s m a n dt h u s ，h e a tt r a n s f e rp e r f o r m a n c ei nt h et r a n s i t i o n a l b o i l i n g r e g i m ei n c o r p o r a t i n gc h fa n dl e i d e n f r o s tp o i n tg e t sa ni m p r o v e m e n t c h fo ft h en a n o f l u i d i si n t e n s i f i e db yw a yo f t h ec h a n g e db u b b l i n gm e c h a n i s m t oe x p l o r et h eb o i l i n gc h a r a c t e r i s t i c s ，e x p e r i m e n t sw e r ec a r r i e do u to nat w o - p h a s e c l o s e dt h e r m o s y p h o nw i t hc a r b o nn a n o t u b es u s p e n s i o n sa sw o r k i n gm e d i a i nc o n t r a s tt o t y p i c a lt h e r m o s y p h o n , t h eo n ef i l l e dw i t han a n o p a r t i c l es u s p e n s i o nh a sa d v e r s e l yh i g i l b o i l i n gi n c i p i e n c et e m p e r a t u r e ，t e m p e r a t u r ee x c u r s i o n ，a n dt h e r m a lr e s i s t a n c e t h ec a r b o n l l a n o t u b es u s p e n s i o n sd e t e r i o r a t et h e p e r f o r m a n c e o ft h e g r a v i t y a s s i s t e d h e a t p i p e m e a s u r e m e n t ss h o w e dt h a ts u s p e n d i n gc a r b o nn a n o t u b c st ob u l l ( w a t e rr e n d e r si te n l a r g e d s u r f a c et e n s i o n c h a n g e so ft h ei n t e r f a c i a lp r o p e r t i e sl e a dt or e d u c e da c t i v en u c l e a t i o ns i t e s ， d e n s i t ya n dd e p a r t u r ef f e q u e n c y ，a n dt oe n l a r g e db u b b l ev o l u m ea n dc o a l e s c e n c er e a d i n e s s m a r a n g o n if l o wi si n d u c e db yt e m p e r a t u r ea n dc o n c e n t r a t i o ng r a d i e n t s f r o mp r e f e r e n t i a l e v a p o r a t i o no fv o l a t i l ec o m p o n e n ta tt h el o c a l i n t e r f a c ea r i s e sm a s st r a n s f e r a l lf a c t o r s f u n c t i o nt o g e t h e ra n dr e s u l ti nh i g ht e m p e r a t u r ee x c u r s i o n ，e v a p o r a t o rw a l lt e m p e r a t u r e ，a n d t h e r m a lr e s i s t a n c e h e a tt r a n s f e rf o rc a r b o nn a n o t u b es u s p e n s i o nf i l l e dg r a v i t y - a s s i s t e dh e a t p i p ed e t e r i o r a t e s t h e r m a lc o n d u c t i v i t yo ft h en a n o f l u i di ss t r o n g l yi n f l u e n c e db yt h ea g g r e g a t i o no ft h e n a n o p a r t i c l e s d e p o s i t i n ga n df o u l i n go ft h en a n o p a r t i c l e so nt h eh e a t i n gs u r f a c eg o v e r nt h e b o i l i n gh e a tt r a n s f e rp e r f o r m a n c eo fn a n o f l u i d a g i n ge t c h e st h em e r i t so fn a n o f l u i da w a y r e l e n t l e s s l y k e yw o r d s ：n a n o f l u i d ，b o i l i n g , h e a tt r a n s f e r , t h e r m o p h y s i c a lp r o p e r t y , d e p o s i t i v 学号 10 4 0 8 0 2 7 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。据我所知，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，也不包含为获得逝鎏盘鲎或其他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 明并表示谢意。 学位论文作者签名：萌脓古签字日期：。7 年，一月j g 曰 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解逝婆盘堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授 权堑1 江盘鲎可以将学位论文的全部或部分内容编八有关数据库进行检索，可以采用 影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名；枥n 壶 签字日期：z 一。7 年j 一月i 舀同 学位论文作者毕业后去向 工作单位： 通讯地址： 导师签名 签字日期 电话 邮编 么 月聋 浙江大学博士学位论文 第一章绪论 第一章绪论 内容提要：对于颗粒悬浮液的研究有近百年的历史，研究的内容主要集中于体系的基本热物理性质， 如悬浮液的导热系数，表界面张力、流变学性质等由于毫、微米固体颗粒悬浮液体系的稳定性差， 在换燕系统中利用价值不高而不再被研究者关注：纳来流体则因为悬浮颗粒粒度小而具较好的稳定 性，早期的实验研究发现其具有超乎寻常的传热性能而引发研究工作者的极大热情通过大量的丈 献阅读，作者注意到纳米流体的研究无论在其基本的热物理性质还是在时流及沸腾换热效果方面都 存在不小的争议，而沸踌换热研究结果争议尤巨作者认为纳米流体扣沸腾表面间性质的变化，即 表界面性质强烈影响沸腾换热效果，同时作者也注意到纳米流体沸腾换热的研究仅局限于核态化沸 腾及临界点，而过临界点区域的沸腾换热效果尚未开展，就此作者确定研究的方向 1 1 引言 随着科学技术的飞速发展和能源问题的日益突出，能源动力、微电子、运输、制造 及计量等领域中热交换设备的传热负荷和传热强度的飞速增加，对散热的要求也越加苛 刻。应用传统纯液体工质或辅以延展散热面的方法，如加肋片和沟槽，已逐渐难以满足 生产中的散热要求。低传热性能的工质不仅影响散热并已成为研究新一代高效散热技术 的主要障碍。固体的导热系数比液体工质的要大得多，通过在液体工质中加入固体颗粒 应该可以强化液体的导热系数。基于这种思想并因纳米科学及技术的进步，将纳米颗粒 分散到传统的工质中，并对这种悬浮液的传热特性进行系统研究已成为可能，现今该研 究方向业已成为传热方面的一个热点。本章第二节综述了纳米颗粒悬浮液的研究现状， 其后介绍本文研究的主要内容及目的。 1 2 毫、微米固体颗粒悬浮液 f r i c k e l 根据数学理论推导出颗粒悬浮液的导电系数模型，认为悬浮液的导电系数和 悬浮体系中固体颗粒、液体介质的导电系数、颗粒浓度及颗粒的形状有关。该模型的提 出可以为固体颗粒悬浮液体系的导热系数的计算提供借鉴。a h u j a 2 通过非稳态法实际测 定了静止状态下固体颗粒悬浮液的导热系数，发现聚丙乙烯中性浮力悬浮液( n e u t r a l l y b u o y a n ts u s p e n s i o n ) 的导热系数在浓度低于4 0 条件下满足m a x w e l l 关系式，而对于略 呈非中性浮力的悬浮液( n o n n e u t r a l l yb u o y a n ts u s p e n s i o n ，组分密度差为1 5 ) 导热系 数的测定值高于根据关系式得出的计算值。他将导热系数的强化归结于颗粒沉降产生的 浙江大学博士学位论文 第一章绪论 尾流，并提出悬浮液的导热系数是颗粒浓度、r e 数和p e 数的函数，n i t 和a c r i v o s 3 及s o h n 和c h c n 4 也有同样的观点：在层流状态下，聚丙乙烯球形颗粒悬浮液的导热系数为基液 的三倍。悬浮液的导热系数不仅和体系的物理一化学性质相关同时也和管径、长度及剪 切速率相关s 。 b r i a n 和c h e r t 6 用晟大泡压法测定了氧化铁、四氧化三铁及二氧化硅的水及异链烷 烃的悬浮液的表面张力，结果显示颗粒对液体的表面张力并无显著影响。m e n o n 等7 研 究了两种疏水颗粒在油一水界面的堆积密度对于膜张力和相互作用能的影响。从而可以 通过调节水的体积及混合条件，避免水滴上颗粒的高堆积密度而导致高膜张力，可以使 油一水乳液达到稳定。v i l l l ( 和s c h i l l i n 9 8 通过数值模拟研究了球柱体软颗粒悬浮液的等 方相一向列相界面的界面张力，发现在颗粒主轴长度和直径比小于4 0 条件下，界面张 力随轴径比而增大。h o r v o l g y i 等9 认为硅烷化玻璃颗粒在水一空气界面的润湿特性和测 定方法有关，l a n g m u i r 和w i l h e l m y 膜平衡法测定的结果不相符合，颗粒的粒度对润湿 特性有显著影响。x u a n 等1 0 通过颗粒在毛细管壁的电泳发现壁面的强化作用，即颗粒 直径和毛细管的管径相差越小颗粒泳动速度越快，电解质的加入也可以强化这种效应。 v a n d l l 1 2r o b i n s o n ”及b r i n k m a n l 4 对固体颗粒悬浮液的流变性质进行了理论推导， v a n d l l 实验验证了其得到的流变性质的关系式。m a u d e 等1 5 发现和转筒式粘度计不同， 在用毛细管粘度计测量颗粒悬浮液粘度时出现壁面效应。即颗粒浓度在壁面处浓度降 低，他认为这种效应是颗粒在壁面处的重新分布造成的。另外，关于颗粒悬浮液的流变 性质的研究参见j e f f r e y 和a c r i v o s l 6 及z h o u 等的综述1 7 。 a h u j a l 8 ，s o h n 和c h c n l 9 及b a l a s u b r a m a n i a m 和s a s t r y 2 0 相继开展了颗粒悬浮液在层 流态下的对流换热研究，发现颗粒的加入强化了换热效果，颗粒的扰动、碰撞、管径、 介质的粘度及颗粒的浓度等影响强化换热的效果；同时，a h u j a 蝇认为这种强化作用随颗 粒尺寸而增大；而b a l a s u b r a m a n i a m 和s a s t r y 2 0 则因为颗粒的辐向位置分布无法控制而 对颗粒的尺寸效应而无法得出明确结论。 l i 等2 1 将固体引入流动沸腾系统，发现悬浮液的抉热系数是汽一液两相系统的两 倍，汽一液一固三相系统更加稳定，同时，固体颗粒可以避免壁面结垢现象。 k a s a 和h a n r a t t y 2 2 实验发现如果固体颗粒和液体问的滑移速度及颗粒浓度不是很高 的条件下组分的扩散速率不会产生显著变化。 固体颗粒在化工过程的气体吸附方面也有相关工作展开。v i n k e 等2 3 及a l p e r 等2 4 发现固体颗粒的存在强化了气体的吸附速率，而k a r s 等2 5 及q u i c h e r 等2 6 则发现低浓度 2 浙江大学博士学位论文第一章绪论 下气体的吸附速率并不因为固体颗粒的存在而发生改变，后者同时发现在颗粒浓度为3 0 左右时反应的速率常数大大增加。 1 3 纳米流体 借助m a x w e l l 的混合物理论2 7 ，将粒度介于1 1 0 0n r n 的固体颗粒分散到传统的工 质中以强化其导热系数，c h o i 2 8 将这种流体称之为纳米流体。其实，这和胶体科学中的 胶体有相同的定义。因而，纳米流体的实质是胶体。 1 3 1 纳米流体的物理化学性质 一、导热系数 对纳米流体的研究大多集中于其导热系数的测定及强化机理的分析上。大量的实 验、理论工作表明，纳米颗粒可以强化传统工质的导热系2 9 - 5 8 特别值得期待的是e a s t m a n 等5 9 的测试结果表明，在乙二醇中添加o 3v 0 1 、平均粒径小于1 0n m 的铜粉可以强化 导热系数达4 0 ：k a n g 等6 0 将1v 0 1 的超分散金刚石颗粒与乙二醇相配合制备纳米流 体，悬浮液的导热系数强化效果达7 0 ；c h o i 等6 1 发现1v 0 1 的多壁碳纳米管可强化 合成聚a 一烯烃油的导热系数高达1 6 0 ；c h o p k a r 等蛇发现通过分散入少量纳米 a l t o c u 3 0 颗粒的方法可以强化乙二醇的导热系数更高达2 0 0 。 k u m a r 等4 8 认为纳米颗粒的布朗运动是悬浮液体系导热系数强化的原因，而 b a s t e a 6 3 和k e b l i n s k i 等“则同时指出k u m a r 等在模型推导过程中假设的条件不切实际， e v a n s 等砧则根据分子动力学模拟的结果证明纳米颗粒的布朗运动对悬浮体系的导热系 数的影响甚微。有的研究者6 “9 认为液体在纳米颗粒表面形成类晶体结构，该结构具有 介于纳米颗粒和液体工质之间的较高的导热系数，同时，该结构增大了液体的有效浓度， 从而使悬浮体系的导热系数上升：x u e 等7 0 通过非平衡分子动力学数值模拟计算的结果 表明纳米颗粒一液体工质界面液体层的存在不能很好解释导热系数强化这一现象；同 时，有学者7 1 。7 3 指出纳米颗粒和基液接触界面间存在很大的接触热阻。界面层强化导热 系数的解释不可取。其它强化机制还包括纳米颗粒的布朗运动所造成的微对流体“、颗 粒一液体界面导热等7 7 - 7 9 。上述各种强化机理也不能解释纳米流体导热系数的时间、温 度及对体系化学性质的依赖性瓤埔6 。基于胶体化学的聚集动力学并结合传热学知识对纳 米颗粒强化传统工质的导热系数的机理进行分析能够圆满解释上述疑义盯9 1 。这种分析 浙江大学博士学位论文 第一章绪论 认为影响悬浮液导热系数的变量不仅包括液体的导热系数、粘度、纳米颗粒的导热系数、 密度等物理属性，同时，也受到体系的电位、p h 、h a m a k e r 常数及离子浓度等化学性 质的影响。 然而，也有实验发现纳米颗粒的强化效果并不是很高。x i e 等9 2 的测试结果表明1 v 0 1 的多壁碳纳米管强化乙二醇和去离子水的导热系数仅为1 9 6 和7 o ：z h a n g 等 也认为纳米颗粒的强化效果并没有非常之处，悬浮液的导热系数可以传统的h a m i l t o w - - c r o s s e r 模型9 4 预测。同时，对f e 纳米颗粒强化传统工质的研究结果表明这种强化效果 和纳米颗粒自身的导热系数无实质性关联。这些无法用上述的各种机理加以解释9 5 一。 纳米流体导热系数的强化机理分析也可参见k e b l i n s l d 的文章”。 二、表界面性质 s c h r a m m 和h e p l e 一同时以环移除法( d un o u yr i n gm e t h o d ) 和最大泡压法 ( m a x i m u m b u b b l e p r e s s u r e m e t h o d ) 测定了蒙脱土一水悬浮液的表面张力，结果显示蒙 脱土悬浮液的表面张力及悬浮液和甲苯溶液间的界面张力增大，而高岭石悬浮液的表面 张力及悬浮液和甲苯溶液问的界面张力减小，分析认为界面固体颗粒间的相互作用力影 响测试结果，相互间斥力大则界面张力大，吸引力一斥力相互平衡则表现为相互吸引时 界面张力减小，同时悬浮颗粒的大小也对测试结果造成影响，另外，表面老化时间 ( s u r f a c ea g e ) 不同也造成两种测试方法得出的结果存在差异。o k u b 0 9 9 及m i l l e r 和 c o n a l d l 0 0 分别用w i l h e l m y 板法及悬滴法( p e d d a n td r o p ) 、躺滴法( s e s s i l ed r o p ) 测定了 悬浮液的表，界面张力，认为固体颗粒在表，界面的排列方式，回时后者以为体系的离子 强度，对悬浮体系的表，界面张力造成影响。d o n g 和j o h n s o n l 0 1 ，1 0 2 等发现悬浮液的表面 张力受颗粒浓度影响，低浓度时颗粒在表面的自发吸附引起内能减小而体系的熵增加， 从而造成悬浮液的表面张力变小；随颗粒浓度的增大，颗粒间吸引毛细力增加，悬浮液 的表面张力开始增大；更高的颗粒浓度下体系的表面张力维持一定值。 w a s a n 和n i k o l o v l 0 3 及c h e n g a r a 等通过计算发现在三相线附近楔形液膜中纳米 颗粒会有序排列，造成液膜和液体主流间的过余压力，这种过余压力随液膜厚度呈现振 荡衰减趋势，振荡波的波长和纳米颗粒的直径相同，液膜厚度因楔形形状变化，引发楔 裂压力梯度，液体将受楔形压力梯度的驱动向三相线处移动，悬浮液在固体表面的展布 能力提高。纳米流体的浸润特性则由于颗粒的添加发生显著改变，在相同的液滴体积下 体系的接触角随颗粒浓度上升而增加，达到一峰值，而后接触角随浓度增加而减小，颗 粒粒度越小悬浮液在固体表面的接触角越大1 0 5 。 4 浙江大学博士学位论文第一章绪论 三、流变性质 一般认为纳米流体中固体颗粒的浓度很小而对液体流变性质不会造成影响，悬浮液 依旧保持基液的流变学特性。而p r a s h c r 等旧6 的测定结果似乎也印证了这点。他们对氧 化铝一丙二醇纳米流体粘度的测定结果表明悬浮液粘度和剪切速率及颗粒直径无关，流 体呈现牛顿流体特征，悬浮液粘度随温度变化不大根据传统的e i n s t e i n 粘度方程计算 的结果小于测定值。他们认定体系中存在颗粒聚集结构，这点似乎和牛顿流体的结论相 抵触。然而，更有其它学者则证明纳米流体为非牛顿流体1 0 7 - 1 0 9 0 如t s e n g 和l i n l 0 7 对 t i 0 2 纳米流体粘度的测定发现其呈现假塑性，同时，悬浮体系最大颗粒负荷( m a x i m u m s o l i dl o a d i n g ) 为1 4 6 ，说明纳米流体内部聚集结构的存在，当颗粒浓度大于1 0 时 悬浮体系又表现出触变性，他们认为悬浮体系的结构主要为颗粒间相互吸引而形成的扩 散控制的聚集体；炭素和碳纳米管悬浮液粘度也同样呈现剪切变稀的非牛顿流体特征， 同时也发现为保证体系稳定性添加的分散剂超过一定的温度会发生失效现象，碳纳米管 在分散过程中超声时间的长短将改变碳纳米管轴向长度及面径比，从而表现在粘度曲线 的变化1 0 8 。k w a k 和k i m l 0 9 对c u 0 一乙二醇纳米流体粘度的测试发现体系存在一稀释极 限( d i l u t e l i m i t ) ，因而提出纳米流体的配制应该采用球形颗粒以提高体系的稀释极限。 此外，p o z h a r 对纳米流体粘度进行了数值计算并对比粘度经验关系式，并无实质内容1 1 0 。 四、对流不稳定性 在重力场或速度场中由于温度或组成的浓度梯度的存在而产生局部密度的差异从 而引发“浮力”，这种作用是对流产生的一个原因1 1 1 - 1 2 3 ；或者，对流也可因温度、组分 浓度及电势不同而在自由界面产生的表面张力梯度引发，并分别称为热毛细 ( t h c r m o c a p i l l a r y ) 、扩散毛细( d i f f u s o c a p i l l a r y ) 及热电效应( t h e r m o e l e c t r i c ) 1 肄“5 ；再 或，对流由交叉扩散( c r o s sd i f f u s i o n ) ( 温度梯度引发的质量流( s o r e te f f e c t ) 和浓度梯 度引发的热流( d u f o u r e f f e c t ) 间的耦合) 引发1 犏1 5 9 。 k i m 等1 6 0 分析了浮力驱动纳米流体的对流不稳定性，并引进一个新的因数f ( 纳 米流体的r a 数与基液r a 数之比) 来描述纳米颗粒对对流不稳定的影响，认为当纳米颗 粒的密度和热容增加而形状因子减小时对流起始r 丑减小。c e r b i n o 等。6 1 根据放射线透 视照相时序图并同时假定边界层为扩散生长方式可以不直接测定而确定对流发生时浓 度边界层的厚度，因为他们推定边界层厚度和溶质r a 数间存在确定的幂指数关系。 r y s k i n 和p l e i n e r l 6 2 及c e r b i n o 等1 6 3 分析了负分离系数下悬浮液体系的热对流，前者发 现从底部加热时体系呈瞬态线性振荡不稳定，振荡幅度随时间延长而减小，从上部加热 浙江大学博士学位论文第章绪论 时出现短波对流结构，波长受r a 数影响，后者进一步分析上部加热方式导致稳定的上、 下柱状流动而顶部为辐条图案对流结构。r y s k i n 和p l e i n e r l 6 4 分析了在外加磁场的作用下 k e l v i n 力及磁泳对对流的影响，l a n g e ”5 应用磁流体动力学理论给出化学势及质量流的 磁力学解析形式并得出热扩散系数。b l u m s 等啪进行了磁场作用下平板竖式热扩散柱中 纳米颗粒的非稳态分离实验，他们发现磁场对颗粒分离有显著影响，如果磁场方向和温 度梯度方向一致，热扩散系数减小，而在磁场和温度梯度垂直条件下颗粒热泳运动增强。 在对二元纳米流体的热扩散和纳米颗粒对对流不稳定性的影响进行理论分析后发现，随 基液分离系数绝对值的增大体系r a 数急剧减小，即意味着纳米颗粒的存在使对流的发 生变得容易，热扩散效应强化液体传热，并且这种强化作用随颗粒浓度的增大而增强。 1 3 2 对流换热 在纳米流体的自然对流换热的研究中p u t r a 等1 6 9 及w e n 和d i n 9 1 7 0 发现纳米流体恶 化换热效果，并且，这种恶化随颗粒浓度的增大而愈发显著，分析认为其原因在于纳米 颗粒和液体之间的滑移及纳米颗粒的沉积。相反，k h a n a f e r 等1 7 1 的数值计算结果则显 示纳米颗粒显著强化液体的换热。 w e n 和d i n 9 1 7 2 ，1 7 3 实验考察了纳米流体的强制对流换热特性，纳米流体强化液体的 在层流及湍流区的换热效果，质量浓度为为o 5 的多壁碳纳米管悬浮液在r e 数为8 0 0 时的强化换热效果达3 5 0 ，而l i 和x u a n 7 7 的实验结果也显示在相同的r e 数下体 积浓度为2 的c u 纳米流体强化对流换