（机械电子工程专业论文）纳米流体的黏性和流动特性研究.pdf

江苏大学硕士学位论丈 摘要 纳米流体是以一定方式将纳米粒子或纳米管添加到某种液体中 而形成的稳定悬浮液。随着微纳米技术的发展，纳米流体因其独特的 性能而受到广泛关注。纳米流体不仅有较高的热传导性能，而且在化 工、航天、i l e m s 、n e m s 等领域有着广泛的应用。本文主要对纳米流 体的稳定性、黏性及流动特性进行实验研究。 首先，采用“两步法 制备了含不同纳米粒子的纳米流体，纳米 粒子粒径在1 0 0 m 以内。实验中所制备的纳米流体具有较好的稳定 性。研究表明，粒径、密度较小的金属或金属氧化物粒子的稳定性较 好。表面活性剂对纳米流体的稳定性起到关键作用，使用表面活性剂 能明显提高纳米流体的稳定性，但是表面活性剂的选择和用量需要注 意，当添加的表面活性剂与粒子表面极性相反且与纳米粒子的质量分 数相同时纳米流体有最好的稳定性。制备纳米流体时超声振动温度和 纳米粒子添加到基液的时间对纳米流体的稳定性也有直接影响，考虑 到这两个因素，文中采用了不同的制备方法，结果显示改良后的制备 方法明显优于传统“两步法 制备方法。 其次，实验研究了温度、表面活性剂、纳米粒子体积分数对纳米 流体黏度的影响。结果表明，纳米流体的黏度随温度的升高而减小， 但c u 一水、：0 3 一水纳米流体的黏度在温度超过6 0 时随温度的升高 而增加，而且c u 一水纳米流体在升温和降温过程中存在明显的回滞现 象。c u 伊水纳米流体的黏度在未加表面活性剂时的实验值与理论计 算值相差不大，但添加不同表面活性剂后明显大于计算值，且其变化 趋势与表面活性剂黏度的变化趋势类似。纳米流体的黏度还随纳米粒 子体积分数的增加而增加，但粒子粒径不同增加的幅度并不一致。所 以在计算纳米流体黏度时需考虑温度、纳米粒子密度和粒径等影响因 纳米流体的黏性和流动特性研究 素。 最后，实验研究了纳米流体在不同长度和不同管径微圆管道中的 流动特性。结果表明，去离子水在1 0 0 岬、5 0 岬中流压特性可用 n s 方程来估算，但在2 5 岬时计算值和实验值有较大误差，通过修 正公式可得到较好吻合。在同一微管道中纳米流体的流量随着纳米粒 子体积分数的增加而减小，这是由于体积分数越高，纳米流体的黏度 越大，同时基液所含的粒子越多在管道中粒子的碰撞越多造成的压力 损失越大。体积分数较小的t i 0 2 一水纳米流体在不同微圆管道中的流 动特性与去离子水相差不大，纳米流体在较小体积分数时相对于基液 其传热特性有很大提高，这对纳米流体的应用来说非常有利，但是实 验中粒子粒径较大的c u o 一水纳米流体在不同微圆管道中的流量却明 显小于去离子水，这是由于粒径较大的粒子容易形成较大的团聚体， 在微圆管道中会大大增加流动阻力。 关键词：纳米流体，纳米粒子，稳定性，黏性，流动特性 江苏 大学硕士学位论文 a bs t r a c t n 锄0 n u i d sa l r ean e wt y p c0 fh e a tn a n s f e rn u i do b t a i n e db ys u s p e n d i n g n 锄o - s 娩e d p a r t i d e s i i l t oab a s el i q u i d w i t ht l l e d e v e l o p m e n to fm i c m 柚d n a n o t e c l l l l o l o g y n 加o f l u i d sw e r ep a i dal o to fa t t e n t i o nf o r 恼u n i q u ep e 哟咖a n c c n a n o f l u i d sn o to i l l yh a v ea 9 0 0 da b i l i t yo ft h e n i l a lc o n d u c t i v i t y ，b u ta l s oh a 、，cw i d e l y u s e di i l c h e m i s t 巧r o s p a c c ，m e m s ，n e m sa n d o n t h i sp a p e ri sm a i l d yt h e s t u d yo ft h cv i s c o s i t ya n dt h en o wc h a r a c t e r i s t i c so ft h en a n o n u i d s f i r s t t h en a n o n u i d si n c l u d i n gd i d e 陀n tt y p e so fn a n o p a r t i c a i sw e 他p r e p a r e db y at w o s t e p sm e m o d t h ed i a m e t e ro ft h e n a n o p a r t i c l e su n d e r1 0 0m ，a n dt h e s t a b i l i t yo ft h en 柚o n u i d sa 陀g o o d i nt l l es t l l d y ，w e 幻u n dt h a tt h em e t a lp a r t i c l e so r m e t a lo x i d ep a n i d e sw h i c h0 、ns m a l ld i 锄e t e r 卸dd e n s i t yh a dab e t t c r s 切b i l i t y s u 渤c t a n tp l a y 锄i l i l p o n a n tr o l ei i ls 汕i l i t y0 fn 锄o f l u i d s ，t l l es 劬i l i t yw a s i i i l p r o v e d a1 0 ta 舭fu s i n gt h es u r f a c t 锄t ，b u tt 1 1 et y p ea n d 锄o u n to fs u 触n ts h o u l db e c o n s i d e 陀d i tw i l lh a v et h e b e s ts t a b l i l i t yw h e nt l l es u 血c cp o l a r i t yb e t 、) i r e e n 龇 驰血c t a n l 锄dt l l en 柚叩a j t i c l e si sd i 俄r c n t ，粕dt h eu s i i l go fm a s sf r a c t i 仰b e t 、e e n t h es u m c t a n t 锄dt h en a n o p a f t i c l e si ss 锄e t h et e m p e r a t u r eo fu l t r a s o n i c 、，i b r a t i o n 柚dt h et i i n e so fn 锄o p a n i c l 髓e n t e r i i l gi i l t ob a n u i d sp l a ya l i n l p o n m tr o l ei i l s k i b i l i t yo fn 卸o n u i d s w bp r o p 0 dt h eo t h e rp r o c e s sa b o u th o wt 0m a k en 锄o n u i d s b y “t 、os t e p s ”a n dt h er e s u l t ss h o w e dt l l a tt h en e wm e t h o db e t t e rt h a nt h eo l do n e s e c o n d ，t h ei i l f l u e n c e so ft h et e m p c r a t u r c ，c h e m i c a ld i s p c r s 锄t ，锄dt h ev o l u m e 劬c t i o no fn a n o p a r t i d e so nt h es h e a rv i s c 0 s i t yo ft h en a n o p a n i d e n u i dm i x t u r ew e 他 e x p e 湎e n t a l l yi i l v e s t i g a t e d t 1 l e 陀s u l t ss h o w e dt h a tt h es h e a rv i s c o s i t yo ft h em 权t i l 旭 d e c r e a s e dw i t l lt l l ei l l c r e a o ft h e t e m p e r a t u r eb e l o wat l l r e s h o l do f6 0 i i l t e 他s t i n g l y ，t h ev i s c o s i t y0 fc u - w a t e ra n da 1 2 0 3 - w a t e rn a n o n u i d si n c r e a dw i t h i i l c r e a s i n gt l l et e m p e m t u r ea b o v e6 0 ap h e n o m e n o nt l l a tt h ev i s c 0 s i t yh y s t e r e s i s b e 附e e nt h eh e a t i n g 卸dc o o l i n gp r o c e s sc 0 u l db eo b s e r v e do b v i o u s l y t l l es h e a r v i s c o s i t yo fc u o - w a t e rn a n o n u i di nt l l i se x p e r i l l l e n ti si ng o o da g r e e m e n tw i t hf l u i d d y n 枷l i cc o n t i n u u mt h e o r ) ，f o r t h en u i d sw i t h o u td i s p c r s a n t a f t e rt l l ed i s p e r s 锄tw 舔 a d d e di i lc u 0 - w a t e rn a n o n u i d ，t h ee x p e r i m e n t a lv a l u e0 ft l l es h e a rv i s c o s i t yw 弱 l a r g 所t l l a nt h et h e o 他t i c a ld a t a a n dt h ev a r y i n gt f e n dw a sc o n s i s t e n tw i t ht l l a to ft h e d i s p e r s a n t t h ev i s c o s i t yo fn a n o n u i d sw a si n c r c a s e dw i t ht h ei n c r e a 辩0 ft h ep a r t i c l e v o l u m ef r a c t i o n ，b u tt l l e 托w a sd i v e r s i t yf o rt h ei n c r e m e n tb e t w e e nt h en a n o p a r t i c l e s n i 纳米流体的黏性和流动特性研究 a tt h es a m ep a r t i d ev o l u m eh a c t i o n f i n a l l y t h en o wc h a r a c t e r i s t i c s0 fn 觚o n u i d si i l t ：h em i c r oc i r c i l l a rp i p ew l l i c h h a v ed i 骶r e n td i 锄e t e ra i l dl e n g t hw e r cs t u d i e d n er e s u l t ss h o w e dt h a tn - se q u a t i o n c o u l dd e s c r i b e dt 1 1 en o w 卸dp r e s s u r ec h a 删e ro fn 卸o n u i d sw e ui n5 0 l im 柚d 1 0 0umm i c r od r c u l a rp i p e ，b u t 也e r ew o u l db eab 谵e r m rb e t w e e nt h ee q u a t i o n v a l u e 加de x p e r i l l l e n tv a l u ei n 2 5um a n dt h ee 玎o rw 弱c i l td 0 、na f t e rm o d i f i e dt h e n se q u a t i o n n en o wo f 咖o f l u i d si i lm es 锄ep 啦d e c r e a s e d 诵t ht h ei l l c r e 弱eo f p a r t i d ev o l 咄劬c t i o n n 圮r e a s o nw 勰t h ev i s c d s i t yi n c r e a dw i t ht h ei i l c r e 如e0 f p a n i c l ev o l 岫e 盘a c t i o n 锄dt h e r eh a dm o r ep a n i d e sw h i c hw o u l dh a dc o l l i s i o ni n b a n i u d st 0h a dm o r ep r e s s u r el o s t m 0 2 w a t e rn 锄o n u i d 谢t l ls m a l lp a n i d ev o l 岫e f h c t i o nh a dt l l es a m ec h a r a c t e r i s t i ci nd i r e n td i 锄e t c rp i p e sw i t hd e i o n 娩e dw a t e r n a tw i l lb eh a v i n gaw i d e i yu s e dc a u s i n gt h et h e 加a lc o n d u c t i v i t yo fn 龃o n u i dh a da h u g ei i i l p m v e de v e ni ns m a l lp a n i c l ev o l u m e 打a c t i o n b u tm ec u o - w a t e rn a n o n u i d w i t l la b i gm 弱s 丘a c t i o n 柚db i g g e rp a r t i c l ed i 锄e t e fh a d ag a pi nn o ww i t hd e i o n 娩e d w a t e ri i ld i 位r e n t p i p e s t h a tb e c a u t h eb i g g e rd i 锄e t e rp a n i c l e s f o n n e dt h e a g 掣e g a t ee a j l y 加dt h ep 陀s 蛐r el o s sb e c 锄es 扛o n g k e yw o r d s ：n 锄o n u i d s ，n 卸0 p a n i d e s ，s t a 【b i l i t y 、r i s c o s i t y n o wc h a r a c t e r i s t 硫 江苏大学硕士学位论文 1 1 纳米流体概述 第一章绪论 随着微机电系统( m i c r 0e l e c t r o n i cm e c h a n i c a ls y s t e m m e m s ) 技术的发展， 工程中所使用材料的尺度也不断减小，有些已达纳米级，从而形成了一种新的技 术n e m s ( n 锄oe l e c t r o n i cm e c h a n i c a ls v s t e m ) 纳机电系统。m e m s 的特征尺寸 一般在微米量级，其大多特性实际上还是基于宏观尺度下的物理基础，而n e m s 的特征尺寸达到了纳米量级，一些新的现象如多尺度效应、表面效应等凸显，解 释其机理耦合特性需要应用微观、介观物理。随着热科学和技术的发展，在冶金、 能源、输运、微电子、化学工程、航天器热控制、制造业中对换热系统的效率提 出了更高的要求，而且根据m e m s 、n e m s 技术的发展要求，急需要快速的能 量传递，能量传递中会涉及到热量的传递，因此高效快速的热量传递方式被广泛 研究。1 9 9 5 年美国啦。蛐e 国家实验室的c h o i 等【1 】率先提出了纳米流体的概念。 纳米流体：即以一定的方式和比例在液体中添加纳米级金属或金属氧化物粒子， 制备成均匀、稳定、高导热的新型换热介质。纳米流体以其较高的传热性能引起 了广大研究人员的关注。 传统的传热介质比如水、机油和乙二醇等已很难满足快速发展的工业要求。 金属普遍具有良好的传热性能，但金属为固体，在很多场合无法使用。纳米流体 充分利用金属和传统流体介质的特点，形成一种新的高效的传热介质。将纳米级 的金属粒子添加到传统介质中形成悬浮液，这种两相流体的换热性能明显优于传 统液体。由于含有粒径较大粒子的悬浮液缺乏稳定性，易沉降，在实际应用过程 中易发生堵塞、磨损等不良现象，因而大大限制了其在工业中的应用，而纳米流 体加入基液的金属和金属氧化物等粒子在1 1 0 0 衄之间，使得粒子容易悬浮在 基液中，使纳米流体可以在微管道中流动。 虽然纳米流体的传热性能优良，但是纳米流体在稳定性、黏性和流动特性等 方面均出现一些与传统介质不同的现象。应用纳米流体主要的问题是纳米流体的 悬浮稳定性较差，由于纳米粒子的表面能较高，纳米粒子很容易发生团聚，形成 微米级的粒子团，大的粒子团产生沉淀；另外，目前还没有合适的公式对不同的 纳米流体的黏度进行估算，有的研究认为纳米流体是牛顿流体，有的则认为是非 纳米流体的黏性和流动特性研究 牛顿流体，对实际使用纳米流体时的特性无法有效计算。 目前，国内外大量学者对纳米流体做了大量的研究，研究主要集中在以下几 个方面：纳米流体体系的选择、纳米流体的制备，纳米流体的稳定性研究、纳米 流体热导率影响因素及模型研究、纳米流体强化传热机理研究、纳米流体黏度测 量及影响因素研究、纳米流体在微管道的流动特性研究。虽然由于各个研究者用 的材料、纳米粒子粒径、温度、表面活性剂种类、实验仪器等因素的不同给对纳 米流体特性研究带来困难，但还是取得了许多成果。 1 2 国内外研究现状及发展趋势 纳米流体以其自身独特的性质在微机电系统( m e m s ) 和纳机电系统 ( n e m s ) 等微流动领域得到了广泛应用。近十几年来大量研究人员从事纳米流 体的研究，在纳米流体诸多特性中取得许多重大发现，促进了纳米流体的研究和 应用。国内外对纳米流体的研究主要集中于其传热特性，而对其它特性的研究相 对较少。 1 2 1 纳米流体的制备 c h o i 等1 1 犍出气象沉积法( 一步法) 制备纳米流体，制备时激光照射金属 靶，在充满惰性气体的超高真空环境内，金属受热蒸发产生金属烟雾，烟雾经液 氮冷却而凝结成为纳米粒子，落入基液中制成该金属的纳米流体，l 0 等【2 】通过 一步法制备了c u o 纳米流体，其分散性较好。t s u n g 等【3 】在高频加热装置系统中 将z n 加热成蒸气，在凝结的过程中z i l 被氧化，形成的z n o 纳米粒子收集分散 于去离子水中，从而得到z n o 去离子水纳米流体。通过透射电子显微镜得知粒 子分布均匀，稳定性较好。 另外一种广泛使用的制备纳米流体的方法是两步法，此法将金属或金属氧化 物采用不同工艺粉碎至纳米尺度，然后将纳米粒子添加到基液中形成悬浮液。由 于两步法制备的纳米粒子稳定性较差，通常采用添加表面活性剂、改变溶液的 p h 值和超声振动等方法提高纳米流体的稳定性。m g 等【4 】采用超声振动制备了 c u 水纳米流体，超声振动为4 小时，得到的纳米流体可以稳定存在1 0 天左右。 h w 柚g 等人【5 】提出用一种新设备来提高纳米流体的稳定性，这种设备有两个微 2 江苏大学硕士学位论文 管道，微管道将溶液分为两股，这两股流体在反应室相互作用，纳米流体团聚体 在高能空穴下分散，如图1 1 所示。采用这种方法制备出的纳米流体有非常好的 稳定性，从图中可以看出，最终得到的纳米流体中粒子粒径较小而且分散均匀。 李新芳【6 1 等研究发现超声振动在使用表面活性剂条件下才有效，单纯的超声振动 不会对纳米流体稳定性提高多少。c h o p k a r 等同，z h a i l g 等【8 】，宋晓岚等【9 】，郝素菊 等【1 0 】等研究人员都通过两步法得到了稳定性较好的纳米流体。 图1 1 制备纳米流体设备一高压高速搅拌器 f i g 1 1p r e 婵血g 咖加山凼e q l l j p m e n t - n eh i g h p 心跚玳h o m o 妒n j z e r 除上述两种主要方法外，c h a n g 等【1 1 】提出采用一步湿化学法在高速搅拌情况 下制备t i 0 2 纳米流体，其实验设备如图1 2 所示。朱海涛【1 2 】把纳米粒子的湿化 学制备与纳米流体的制备结合在一起，制备了c u 乙二醇纳米流体，为了加速反 应速度提高成核速率，此法还使用了强还原剂以及微波加热，制备出的纳米流体 具有粒子粒度小、分散性好、反应速度快、稳定性好等优点。王涛等【1 3 】采用醇 盐水解法，通过控制水解条件，获得高纯s i 0 2 纳米粒子，其粒子直径从几纳米 到几十纳米，对所得纳米流体进行了z e t a 电位测量，电位值在一3 0 一8 5m v ， 该体系具有良好的稳定性。 通过上述研究可以看出，采用两步法制备纳米流体时制备工艺简单、工序少、 易制备固相含量较高的纳米流体、易于批量化生产。制备过程中需要采用必要的 物理分散和化学分散以提高纳米流体的稳定性，物理分散常用的是超声振动，而 化学分散是添加表面活性剂。 3 纳米流体的黏性和流动特性研究 舔 k 卅咐d 哪啵懦删b 栌i 哪赫蝴 广1 t j “u mt b 曲f o d 器 k 两碉 酬i y 姗l l _ _ - _ _ _ - - _ _ _ _ _ _ 一 篚u 强瞄硪目魏鼎闽 c 嘶丢千去 iv 蝴嗍 心 h 西哪即黼i 煳 图1 2 采用一步湿化学法制备纳米流体设备 l 强g 1 2p r e p a n ge q u i p 皿忙n t 蠡d rn a n o a i i j d sb yo n es t e p 1 2 2 纳米流体的稳定性 纳米流体的稳定对于纳米流体的使用起到至关重要的作用，只有纳米流体稳 定存在其特殊性能才能发挥。促使纳米流体稳定的方法有很多种，其中最有效的 方法是改变溶液的p h 值和添加表面活性剂。 纳米粒子在溶液中悬浮时受到以下几种力的作用：范德华瓦尔斯引力、静电 排斥力、浮升力、相间阻力和布朗力，其中布朗力属于瞬间力而其他为连续力。 根据d l v o 理论，在固一液体系中，离散相粒子间的斥力和引力之间存在一个 动平衡。粒子间吸引力占优势时，悬浮粒子发生碰撞团聚的几率增大，当斥力大 于引力并足以阻碍悬浮粒子由于布朗运动而碰撞时，则粒子发生团聚和沉淀的几 率会大大减小。排斥力主要取决于粒子周围的双电层或粒子溶剂的相互作用，而 引力主要取决于粒子间的范德华力。要使纳米粒子均匀地分散在介质中，排斥力 必须大于吸引力。粒子间引力、斥力与总位能之间的关系如图1 3 所示，总势能 有一个最大值，此值称为位垒，如果越过这个位垒，粒子就相互接近。位垒越低， 纳米粒子在热运动或布朗运动过程中就越容易黏附在一起，形成团聚体。因此， 只要提高位垒值，就增强悬浮液的稳定性。提高位垒值有两种途径：一是增大粒 子表面的静电斥力；二是减小粒子间的范德华引力。改变p h 值和使用表面活性 剂都可以提高粒子间的排斥力。 4 江苏大学硕士学位论文 斥能 i l 引能 、 二：、壁塾塑望 i e p ( 电动电势为零时，电势决定离子浓度的 负对数) 时粒子表面带负电，当p h 0 9 5 ，拟合公式与实验数据吻合较好。当添加表面活性剂后，纳米 流体的黏度与温度不再呈线性关系，而是呈指数关系： 蛔似n f ) = 口e 制。+ c ( 3 1 5 ) 此关系式与前面提到的公式( 3 1 2 ) 类似，其中蜥为纳米流体的黏度，口，6 为 与纳米粒子体积分数相关的参数，不同的纳米流体c 值不同。此公式拟合数值与 实验数值吻合较好，其中r 2 0 9 8 。 温度( ) 图3 1 5 添加s d b s 的不同纳米流 体黏度的公式拟合 f i g 3 1 5t h e 矗n i n g c r v eo fn a n o n u i d sa s 钯m 畔n t u nw 汕s d b s 3 3 6 粒子体积分数对纳米流体黏度的影响 图3 1 6 不同纳米流体黏度随纳米粒子 体积分数的变化 f i g 3 1 6t h en a n o a u i d sv i s s i t ya s l 咖舱o f 呻n i c k 图3 1 6 所示为三种纳米流体的黏度与纳米粒子体积分数之间的关系。由图可 见，纳米流体的黏度均随纳米粒子体积分数的增加而增加。由于纳米粒子体积分 数的增加，悬浮于基液中的纳米粒子数也随之增加，使得纳米粒子间的相互碰撞、 团簇的几率也增加，同时表面活性剂的用量也相应增加，从而导致纳米流体的黏 度随之增加。图中还表现出密度较小的纳米粒子币0 2 与c u o 和c u 相比在相同 体积分数时其纳米流体的黏度最大，平均高出c u 水纳米流体0 0 3c p 、c u o 水 0 1 1c p 。这是因为密度越小的纳米粒子在相同体积分数下所含的粒子数越多，粒 子间的相互作用也就越多，从而增加了纳米粒子团聚的几率，增强了流体内部的 纳米流体的黏性和流动特性研究 能量损耗，导致流体的黏度增加。密度较大的纳米粒子在体积分数较大时的情形 与此类似，这也反映了纳米流体的黏度将随纳米粒子体积分数的增加而增加。 3 4 本章小结 实验研究了不同纳米粒子在不同温度、不同表面活性剂剂和不同粒子体积分 数下的黏度。结果发现：未添加表面活性剂的纳米流体的黏度随温度的增加而减 小；而在使用表面添加剂后，粒径较大的c u o 水纳米流体的黏度随着温度的增 加而减小，而粒径较小的c u 水和2 0 3 一水纳米流体在温度超过一临界值6 0 时， 黏度却随着温度的升高而升高，而且c u o _ 水纳米流体存在温度回滞现象一降温 时纳米流体的黏度大于同一温度下升温时的黏度，c u 水纳米流体温度回滞现象 明显，而2 0 3 水纳米流体的温度回滞则很微小。导致这种特殊现象的原因是因 为粒径小时，纳米粒子在高温时做剧烈的布朗运动，表面活性剂的使用加剧了布 朗运动的阻力，从而使黏度随温度的升高而升高。纳米流体的黏度随纳米粒子体 积分数的增加而增加，不同纳米粒子增加的趋势不同，这与纳米粒子密度有很大 关系；纳米流体的黏度受表面活性剂的影响很大，添加表面活性剂后现有的纳米 流体黏度计算公式的理论值与实验值之间存在一定差异，纳米流体黏度增大的趋 势与表面活性剂黏度增加的趋势类似，表面活性剂的使用将使纳米流体的黏度增 加，尤其是在粒子体积分数较大时，但目前对纳米流体黏度计算的公式未涉及到 表面活性剂的影响，对此还需进行大量的研究对纳米流体的黏度公式进行修正。 加 江苏大学硕士学位论文 第四章纳米流体在微管道中的流动特性 2 0 世纪8 0 年代以来，随着前沿性、多学科交叉的高科技技术的发展，m e m s 系统应运而生。m e m s 技术不仅在生物、医药、环保、宇航、农业、汽车和军事 等诸多领域具有潜在的广阔市场和应用前景，而且也向基础研究领域提出了巨大 的挑战。m e m s 技术包含机械科学、微电子学，还涉及现代光学、气动力学、流 体力学、热力学、声学、磁学、仿生学及材料科学等诸多学科领域。微流动在 m e m s 技术中占有重要的作用，微流动由于尺寸效应出现了许多奇妙的现象。在 微观几何空间内的流动中，流体会呈现颗粒形状，气体会呈现稀薄效应，而边界 会移动，其它如热蠕变、动电效应、黏性加热、反常扩散，甚至量子和化学效应 都会变得非常重要。由于影响微流动的因素众多，如流体类型、管道种类、实验 环境、实验设备等，所以目前关于微流动的研究主要是计算机模拟和实验研究。 4 1 微流动中的特殊现象 实际的流动是多种多样的，在我们的视野之外，还存在着很多没有直觉感知 的流动。随着尺寸的减小，一些宏观流动中不易出现或影响不大的因素，到了微 流动时就会表现出来，甚至成为微流动的主要因素。因此微流动研究的不仅是微 尺寸下宏观流动中常见的连续、稳定、牛顿流，还将研究微流动中表现出来的滑 移流、微动力流。微尺度上与宏观领域流体力学的主要区别大致可以归纳为以下 几个方面： 非连续效应 表面主导效应 低雷诺数效应 多尺度和多物理效应 当尺寸变得很小时，通常采用克努森数( 砌) 来标定，克努森数是分子平 均自由程五与定性尺寸l 之比，即 1 砌= ( 4 1 ) 厶 当定性尺寸l 很小，这时要考虑微流动在小尺寸时引起的特殊效应。 4 l 纳米流体的黏性和流动特性研究 4 1 1 非连续效应 非连续效应是稀薄效应中的一种，从分子动力学观点看，宏观流体的行为 是大量分子运动时分子行为概率的宏观表现，所以宏观参数直接与分子运动的行 为有关。除了分子本身的移动、转动之外，还有分子之间的碰撞、分子与壁面之 间的碰撞。分子行为包含两部分，碰撞项和非碰撞项，其中碰撞项与分子平均自 由程和宏观尺寸有关，因此砌是判断稀薄效应影响大小的一个标志性参数。当 航值非常小时，可以把分子行为处理成宏观连续流模型，可以应用n a v i e r - s t o k e s 方程计算；当流体在微管道中流动时，砌数值变大，若砌处于 1 0 。3 ，1 0 以 区间内，则流动进入滑移区。在滑移区内，考虑分子对壁面碰撞进行动量交换的 结果，会使紧靠壁面的一层流体速度大于壁面本身的移动速度，形成所谓的“速 度滑移 。当砌处于 1 0 - 1 1 0 3 区间时，流体不连续现象突出，而当1 0 3 砌时， 连续流的概念失效，应采用自由分子流概念。 非连续效应使得主导宏观流动和微观流动的作用力发生变化，从而导致宏观 流动中的驱动技术可能在微观流动中并不适应。n s 方程对微流动的预测也与实 验测量值有较大的差距，这主要是n s 方程以无滑移为边界条件，而微流动中 的流动特性与管道材料、管道形状、液体极性均有关联，而n s 方程并未考虑 这些因素。 4 1 2 表面主导效应 随着尺寸的减小，与物体尺寸成平方关系的表面力的影响增强，而与尺寸成 立方关系的体积力则明显减弱。例如，比表面积增加的速率为拿生：三，微流 ! 刀3 r 3 体器件的表面积与体积比通常是常规机械的上百万倍，这大大影响了能量、动量 和质量在微流体器件表面的传输，表面效应会在微器件中起主要作用。当表面优 势增加时，涉及到表面物理的现象将会凸显出来。例如，在微管道中的流动过程 中，流体的表面张力、固体壁面上的吸附量、双电层内的表面静电力、分子吸引 力和范德华瓦尔斯力等都会对流动产生重要的影响。 微尺寸效应同时也反映在热量的传输上，由于表面积的增大，热惯性力减弱， 4 2 江苏大学硕士学位论文 使热传导速率加快，这对于热传导是十分有利的，但是由于不连续效应产生的温 度跳变却会降低传热量而产生不利影响。 4 1 3 低雷诺数效应 雷诺数r e ，流体的惯性力和黏性力的比值， 则。r e 的表达式为： r c ：丝 l ， 是反应流动特性的一个重要准 ( 4 2 ) 其中，l 为微流动中的定性尺寸，【，为流速，y 是流体的运动黏度。在微流动中， 因为l 很小，u 也很小，所以雷诺数就很小，宏观状态下液体层流和湍流的临界 ：1 值一般在r c = 2 3 0 0 左右，因此微流动一般为层流。在实际的微流动中，存在着 大量的热交换现象，例如电子元器件的冷却、生物芯片中试剂与取样的混合、微 化学反应芯片中的化学反应等，然而，层流状态对热质交换是很不利的，因此必 须采用特殊的结构设计来加强微流动时的热交换过程。纳米流体的主要应用就是 其传热性能优良，金属和金属氧化物的热传导性能要远远高于水、乙二醇等常用 的冷却液，而且基液中加入固体粒子有利于微流动由层流向湍流的提前转捩，提 高流体的散热性能。 流动从层流到达湍流需要一定的过程，只有在充分发展之后，才可以完全进 入湍流状态。这个过程需要一定的时间和距离，通常称这段距离为动力进口长度 或者热力进口长度。但是，微管道通常较短，入口处的雷诺数普遍较低，实际中 往往是流动还未发展到湍流状态就已经结束，这样不仅限制了微流动的应用，而 且对微流动的计算带来困难，目前对这方面的研究是十分必要的。 4 1 4 多尺度多物理效应 微流体流动时，往往并不是所有的通道都处于微尺度，同一种流体在不同尺 度下会影响其物理性质。例如流体的动力黏度，在宏观尺度下它是与尺度无关 的，但是进入微流动中，动力黏度会因为曲率半径的不同而改变。 微流体的驱动机制复杂，多为力、热、电等多场耦合或固一液等多相耦合问 题，而且流体的物态往往是多样化的，例如流动有连续、滑移、过渡和自由分子 流之分；流态有层流、过渡流和湍流之分：物态有气、液、固、两相、多相，状 4 3 纳米流体的黏性和流动特性研究 态有气泡、液滴、气流、液流、微粒；电荷有静电、动电、介电、离子之分，这 样就大大增加了分析难度，不仅模型的求解难度加大，而且有些问题的模型还需 要引入新的作用机制。微流动中可能同时出现一种或多种不同的物理状态，使得 计算复杂化嘲。 4 2 微流动的实验设备 目前，根据管道类型的不同，主要有两种实验仪器。一种是测量微圆管道 的流动特性及热传导特性的实验装置，它主要由流体供应系统、恒温水域系统、 实验测试段、数据采集系统和流量测试系统等构成，如果研究微圆管道的传热特 性则将流量测试系统改为温度测试系统，如图4 1 所示。 图4 1 微圆管道流动特性实验装置m 1 4 1r i h em 叫dp 帆助wc h m c t e r i s 6 c 慨td e 、r i 阎 这种系统采用高压氮气为系统提供驱动压力，方便有效，测试段的压力和温 度数值均采用传感器测量并汇集到计算机进行处理，微管道中流出的液体采用电 子天平称量，电子天平的精度要非常高，因为从微管道中流出的液体质量很小， 精度不高将会产生很大的误差，影响实验数据的准确性。另外一种实验装置主要 是应用于微槽结构，槽的结构可以是矩形、燕尾形、正方形等。这种微槽结构通 常是在硅片上通过腐蚀得到，测量系统一般分为恒压系统、微米沟道系统和辅助 系统等。这种实验设备简单实用( 如图4 2 所示) ，因为微流动的流量非常小， 所以所采用的恒压系统只是简单的依靠大气压力和位置水头来提供，实验中管道 的几何尺寸精度、最上层的玻璃表面粗糙度等都会对流体的流动特性产生影响。 江苏大学硕士学位论文 图4 2 微槽结构流动特性实验装置m ” f 培4 2m i c ms l o ts 咖c m 地矗o wc h 髓c t e 凼h 岱e x 胖r i m 蚰td e v i 嗍 本实验主要是对不同类型流体在不同管径和管长的微圆管道中的流动特性 进行研究，实验装置由压力源、测试装置、微管道和数据处理装置组成。其中， 压力源采用高压氮气，通过过滤、调压装置等为流体提供恒定入口压力，储液槽 中的流体由压力驱动流入微管道，管道入口设有压力传感器以精确测量微管道入 口压力。由于微圆管道出口为大气压，所以出口并未设置传感器，微圆管道的流 量通过毛细玻璃管测得。实验采用的装置如图4 3 所示。其中压力传感器的型号 为j y b k o k v g ，其输入电压为直流2 4v ，输出电压为0 5v ，误差为0 5 ； 输入电压由v y j 1 7 直流电压源提供；输出由a 西l e n t 3 4 4 0 1 型万用表测量输出电 压，电压测量精度可达o 0 0 0 0 1v ；微圆管道为石英玻璃管道，外有涂层以降低 脆性增加韧性提高其使用寿命。微圆管道的直径在0 1 0 0 岬，管道长度0 1 5 0 咖，如图、所示。微圆管道流出的液体流量通过毛细玻璃管进行测量，毛细 玻璃管的直径为9 4 8 6 2m m ，由于表面张力的作用，在液体前端将形成一个液 面，通过n o v 】三l 光学显微镜观察并测量液体液面在毛细玻璃管中移动的距离， 再折算成流量。 图4 3 微流动实验设备 尉g 4 3t h 耐c m - 如we x 雕一眦n 伽e q i p 眦n t 4 5 纳米流体的黏性和流动特性研究 图4 4 直径为2 5 岬的微圆管道 n g 4 4m i c mm 砌试p i 畔、j r i 伍2 5 md i a m e t e 瞒 实验过程中影响实验结果的因素较多，例如入口压力是否稳定、微圆管道在 测试长度内管径是否保持一致、测量毛细管是否引起出口压力升高等。在实验中 采用有效的措施以尽量避免误差，例如：在调整压力后，要等到入口压力稳定后 再进行测量，而且采用多次测量取平均值的方法以减小偶然误差。 4 3 去离子水在微圆管道中的流动特性 水不仅是生命之源，同时也是工程中最常用的流体介质之一。水通常在石油、 化工、轻纺、冶金、电子电讯、食品、医药等行业中用于冷却。在工程应用中， 流体的流动状态主要为层流和湍流，圆管道中的层流流量公式由n s 方程推导 得出： q = 篆p 。 ( 4 3 ) 1 2 8 硝4 其中d 、z 、p 五分别为管道直径、流体的动力黏度、管道长度和管道两端 的压差。若管道截面为其他特殊情况，如矩形、梯形、三角形等可采用不同的公 式将其截面等效成圆形截面而得到水力直径。此公式的边界条件是流体在管道壁 面无滑移，即管壁处流体的流速为零。在流体力学中，在宏观条件下可以把黏性 的影响处理成边界层，认为黏性的作用只限于边界层内，而边界层以外的流动， 则可以按理想流体来处理。但随着管道尺寸的减小，边界层相对于管道尺寸变大， 则应该重新研究适合微流体的边界条件。 从n s 经典方程中可以看出流量与管径、压力成正比，与管道长度和流体黏 度成反比，实验研究表明，在微管道为1 0 0 岬和5 0 岫时，n s 方程依然适用， 如图4 5 、图4 6 所示。 江苏大学硕士学位论文 啊 蟋 棚 蜷 压力( 1 仇) 图4 5 水在1 0 0p m 微圆管道中的流动特性 f i g 4 5 - r h ed i - w a t e r wc h a r a c t e r i s 伪妯 l i imc i r d ep i p e i i n e 图4 6 水在5 0u m 微圆管道中的流动特性 f i g 4 6t h ed i - w a t e rn o wc h a 憎c t e s t i 伪岫 5 0 皿c i 比kp i p e i i n e 图4 5 为去离子水在管径为1 0 0 岬不同管长的微圆管道中的流量和压力 特性。水在1 0 0 岬微圆管道中的流量较大，因此可采用图4 1 所示的电子天平 来计算流过微圆管道的去离子水的质量，虽然由于水的蒸发会给实验带来一定的 误差，但是在1 8 时一分钟内蒸发的水与流出水的质量相比非常微小，因此可 以忽略水的蒸发。图4 5 中管道长度为5 2 5 衄时的理论值与实验值最相近， 误差 5 ，而随着管长的增加误差有所增加，但是误差在可接受范围内。图4 6 所示为去离子水在管径为5 0 岬不同管径中的流量与压力特性，理论值与实验 值吻合较好，误差也在5 以内。实验中出现误差的原因很多，主要因素是理论 值计算时并未考虑管道粗糙度对流动的影响，实际中微圆管道表面并不是绝对光 的，因此会受到一定的阻力。 从上面的实验可以看出，在5 0 岬和1 0 0 岬管径时，n s 方程还可以很好 地对去离子水在管道中的流量与压力特性进行计算，这说明在这个尺度下n s 方程中提出的假设是可以接受的，流体这时处于层流状态，去离子水在壁面处的 速度可以处理为零，即无速度滑移。随着管道截面尺寸的进一步减小，流动开始 由连续流转变为过渡流，n s 方程将不再适用。对速度滑移的研究来源于微管道 中气体的流动，当克努森数砌处于1 1 0 q ，1 0 - 1l 时，这时既不能像自由分子流那样， 只考虑分子与壁面之间的碰撞，而忽略分子之间的碰撞，也不能向连续流那样， 只考虑分子之间的相互碰撞，而忽略分子与壁面之自j 的碰撞。这一区域就被称为 4 7 纳米流体的黏性和流动特性研究 滑移流动区。考虑速度滑移后，其体积流量公式变为： q = 篆( 1 + 警 卸 他4 ) 式中f ：堡彳，其中吒、五分别为动量调节系数和分子平均自由程。 仃p 气体在管道截面尺寸减小到一定程度时将出现速度滑移现象，液体同样会出 现这种现象。图4 7 所示为去离子水在管径为2 5 岬、管长为5 3n h n 时的流量 与压力特性，此时微管道中的流量非常小，采用测量质量的方法不再适用，因此 选用毛细玻璃管测量微管道中的流量，毛细玻璃管的管径是微圆管道的3 7 9 倍。 水在2 5 岬微管道中做压差流动时其流量的实