（工程热物理专业论文）纳米流体的热物理特性研究.pdf

浙江大学硕士学位论文 摘要 摘要 纳米流体是指将金属或非金属纳米粒子添加到水、醇、油等传统换热介质中，制备 成的均匀、稳定、高导热的新型换热工质。目前研究表明纳米流体由于其高导热系数及 流体中纳米粒子的特殊性质，显示了纳米流体在强化换热领域的广阔应用前景。 但是，在对纳米流体研究方面还存在着一些问题：1 、不同研究人员的试验结果缺乏 一致性，这说明存在一些潜在的因素影响着纳米流体的特性；2 、如何高效制备分散稳定 性好的纳米流体。 本文较为详细地研究了纳米流体的热物理特性，对纳米悬浮液的制备进行了探索性 研究，找到了一种新的制备具有高稳定性能的纳米悬浮液的方法，在此基础上，对其粘 度和导热系数进行了实验和理论研究，同时设计了研究纳米流体圆管内强制对流换热特 性的实验方案。主要工作内容如下： l用化学一步法和高压微射流纳米分散仪制备纳米悬浮液，通过激光粒度分析仪和电子 显微镜( t e m ) 对其进行粒度表征，同时测定了悬浮液的z e t a 电位，对其进行稳定性 分析。实验表明，两种方法制备得到的纳米流体都具有很好的分散和稳定性能。 2对纳米悬浮液的粘度进行实验研究，结果表明，纳米流体中粒子的尺寸是影响体系粘 度的重要因素之一，建立了修正的实验关联式，与实验值吻合。 3概述了当前纳米流体导热系数的测量方法，实验测量了纳米流体的导热系数，对纳米 流体导热系数提高进行了机理分析，并建立了理论模型，模型计算结果与实验较为吻 合。利用该模型分析了纳米粒子体积浓度、颗粒平均粒径、基液导热系数，颗粒导热 系数，液膜层厚度等对纳米流体导热系数的影响。 4建立了用于测量圆管内对流换热系数的实验系统，实验测量了两种不同粒予尺寸的 s i 0 2 水纳米流体和a 1 2 0 3 水纳米流体在不同体积分数下的对流换热系数。实验结果 表明，在同r e 条件下。两种流体的对流换热系数均随着颗粒浓度的增大而增大，并 且粒子尺寸越小，增大幅度越大。 但是，在比较相同流速下s i 0 2 水纳米流体与水的对流换热系数时却观察到了对流换 热降低的现象。粘度过分增大是导致同流速下对流换热下降的主要原因，过高的粘度抑 制了纳米流体对流换热性能的提高。 。 分析了纳米流体对流换热性能变化的机理，认为纳米流体的粘度、纳米流体的导热 系数和纳米颗粒的运动是影响纳米流体对流换热系数的三个主要因素。 关键词：纳米流体，强化换热，制备，粘度，导热系数，对流换热 浙江大学硕士学位论文 a b s t r a e t a b s t r a c t n a n o f l u i d sr e f e r st oan e w t y p eo fh e a tt r a n s f e rc a r r i e r sw h i c hi su n i f o r m ，s t a b l ea n dh i g h t h e r m a lc o n d u c t i v e hc a nb eg o tt h r o u g ha p p e n d i n gm e t a l l i co rn o n - m e t a l l i cn a n o p a r t i c l e si n t r a d i t i o n a lt l a n s f e rf l u i d ss u c ha sw a t e r , o i lo ra l e o h 0 1 n ec u r r e n tr e s e a r c hi n d i c a t e st h a t n a n o f l u i d sh a ss p e c i a lp r o p e r t i e s ，a n di tc a l lb eu s e di nh e a tt r a n s f e re n h a n c e m e n tl a r g e l y h o w e v e r s o m ec h a l l e n g e se x i s ti nt h er e s e a r c hf i e l d ：1 t h ee x p e r i m e n tr e s u l t so b t a h l e d b yd i f f e r e n tr e s e a r c h e r sa r el a c ko fc o n s i s t e n c y i tm e a n st h a tt h e r ea r ep o t e n t i a lf a c t o r s a f f e c t i n gt h ec h a r a c t e r i s t i c so fn a n o f l u i d s 2 h o wt op r e p a r eh i g h l yd i s p e r s i v ea n ds t e a d y n a n o f l u i d sm o r ee f f i c i e n t l y t h i sp a p e rs t u d i e st h et h e r m o p h y s i c a lc h a r a c t e r i s t i c s o f n a n o f l u i d s e x p l o r a t o r yw o r k sa r e d o n ef o rp r e p a r i n gh i g h l ys t e a d yn a n o s u s p e n s i o n sa n dan e wm e t h o di sf o u n d e x p e r i m e n t a l a n dt h e o r e t i c a lr e s e a r c ho nt 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 fn a n o f l u i d si sd o n e as c h e m e i ss e tu pt 0i 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 rc h a r a c t e r i s t i co fn a n o f l u i d si nat u b e t h em a i n w o r ki sa sf o l l o w s 1 n a n o f l u i d sa r ep r e p a r e db yc h e m i c a lm e t h o d ( o n es t e p ) a n dm i c r o f l u i d i z e rm e t h o d ( t w o s t e p ) t h es i z ea n ds i z ed i s t r i b u t i o na r ea n a l y z e db yt e m a n dl a s e rp a r t i c l es i z ea _ q a l y z e r 一z e t ae l e c t r i cp o t e n t i a li sm e a s u r e df o rs t u d y i n gt h es t a b i l i t yo f n a n o f l u i d s b o t ho f t w os a m p l e s a r eh i g h l yd i s p e r s e da n ds t e a d yv e r yw e l l 2 e x p e r i m e n t sa r ed o n ef o rs t u d y i n gt h ev i s c o s i t yo fn a n o f h i i di nl o wc o n c e n t r a t i o n t h e r e s u l t ss h o wt h a tt h es i z eo fn a n o p a r t i c l e si so n eo fm o s ti m p o r t a n tf a c t o r si nv i s c o s i t y a l t e r n a t i o n am o d i f i e de m p i r i c a lf o r m u l ai so b t a i n e d t h er e s u l t sc a l c u l a t e dt h r o u g ht h e f o r m u l am a t c ht h ee x p e r i m e n t a ld a m v e r yw e l l 。 3 t h em e t h o d sf o rm e a s u r i n gt h e r m a lc o n d u c t i v i t yo f n a n o f l u i d sa r es u m m a r i z e di ng e n e r a l t h et h e r m a lc o n d u c t i v i t yo fn a n o f l u i d si sm e a s u r e da n dt h em e c h a n i c si sa n a l y z e d an e w m o d e lf o rp r e d i c t i n gt h et h e r m a lc o n d u c t i v i t yi se s t a b l i s h e d t h ep r e d i c t i o n so b t a i n e df r o mt h e m o d e la r es a t i s f a c t o r yc o i n c i d e n c ew i t ht h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t s t h ef a c t o r sa f f e c t i n gt h e t h e r m a lc o n d u c f i v i t yo fn s n o f l u i d sa r es t u d i e dt h r o u g ht h i sm o d e l ，w h i c hi n c l u d ev o l u m e t r i c c o n c e n t r a t i o no f n a n o p a r t i c l e s ，t h ea v e r a g es i z eo f p a r t i c l e s ，t h e r m a lc o n d u c t i v i t yo f b a s i cf l u i d ， t h e r m a lc o n d u c t i v i t yo f p a r t i c l e s ，t h et h i c k n e s so ff i l mb e t w e e np a r t i c l e sa n df u i de t e 4 n l e s y s t e mf o rm e a s u r i n gc o n v e c t i v eh e a tt r a n s f e rc o e f f i c i e n to fn a n o f l u i d si ss e tu p 1 1 1 e c o n v e c t i v eh e a tt r a n s f e rc o e f f i c i e n t so f s i 0 2a n da 1 2 0 3n a n o p a r t i c l e ss u s p e n d e da r em e a s u r e d t h er e s u l t si n d i c a t et h a tt h ec o n v e c t i v ec o e f f i c i e n ti n c r e a s e sw i t hd i m i n u t i o no fp a r t i c l es i z e a n di n c r e a s eo fv o l u m e t r i cc o n c e n t r a t i o nc o m p a r i n gw i t hd e i o n i z e dw a t e ri nt h es a m e r e y n o l d sn u m b e r 塑垩奎兰鎏主堂堡丝奎垒!璺篓 h o w e v e r , t h eh e a tt r a n s f e rc o e f f i c i e n td e c r e a s e dc o m p a r i n g 、i t hd e i o n i z e dw a t e ri nt h e s a m ef l o wr a t e t h er e a s o ni st h a tt h eh j 【g hv i s c o s i t yo fn a n o f l u i d sr e s t r a i n sh e a tt r a n s f e r e n h a n c e m e n t t h em e c h a n i c so fn a n o f l u i d si nc o n v e c t i v eh e a tt r a n s f e rp r o p e r t i e sa r es t u d i e d t h e r ea r e t h r e em a i nf a c t o r sa f f e c t i n gt h ec o n v e c t i v eh e a tt r a n s f e rc o e f f i c i e n to f n a n o f l u i d s t h e s ef a c t o r s a r ev i s c o s i t yo f n a n o f l u i d s ，t h e r m a lc o n d u c t i v i t yo f n a n o f l u i d sa n dm o t i o n s o f n a n o p a r t i c l e s k e y w o r d s ：n a n o f l u i d s ，h e a tt r a n s f e r e n h a n c e m e n t , p r e p a r a t i o n , v i s c o s i t y , t h e r m a l c o n d u c t i v i t y , c o n v e c t i v eh e a tt r a n s f e r i i i 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，也不包含为获得逝堑太堂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： p 川旋中弓签字日期：少。七年占月，日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解瑟婆太堂有关保留、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 权蜇逛太堂可以将学位论文的全部或部分内容编入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：飞p “匣私 导师签名： 签字日期；少。6 年月if 日签字日期：7 5 年占月i e l 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 电话： 邮编： 浙江大学碜士学位论文 第一章绪论 第一章绪论 1 1 课题研究背景及意义 能量传递几乎渗透到工业应用的各个领域，包括动力、冶金、石油化工、机械、材 料等传统领域以及电子、核能、航空等新兴科技工业领域，由于工业生产和科学技术发 展的需要，强化传热技术在近几十年来获得了广泛重视。强化传热不仅可以提高传热效 率，还能减小换热设备和能量传输系统的初期投资，这对于目前国际和国内面临能源紧 缺、环境污染严重等问题的解决方面无疑具有重大的意义。 同时随着科学技术的迅猛发展，工业产品呈现微型化的趋势，尤其是电子产品集成 度的不断提高，对热交换设备的高效、低阻、紧凑等性能指标的要求也越来越高，以往 热交换设备强化传热的手段主要从换热表面、制造工艺等方面着手，但是随着交换设备 的不断改进，换热工质的传热性能成为强化传热的主要因素。低导热系数的换热工质已 成为研究新型高效传热冷却技术的瓶颈，必须从工质入手研制高传热性能的换热工质。 众所周知，常温下固体材料的导热系数要比流体大几个数量级，表1 - 1 对比了一些 固体和液体材料的导热系数值，铜的导热系数是水的7 0 0 倍，而碳纳米管则是水的5 0 0 0 倍左右，可以预计，在流体中加入固体颗粒会提高导热系数。因此，许多学者在液体中 添加固体颗粒以提高其导熟系数和传热性能方面进行了大量的理论和实验研究工作，并 取得了一定的成果。 表卜1 几种常用材料的导热系数 l i u i l l 等a h u j a l 2 j 对这种强化传热的方法进行了流动和传热性能测试，研究分析了固体 粒子的体积份额、尺度、悬浮液流速等因素对悬浮液阻力和传热性能的影响。实验结果 表明，在甘油或氯化钠水溶液中添加一定量的微米级聚苯乙烯小珠，可增大原液体的导 热系数，在相同流动速度条件下，悬浮液对流换热系数比原液体大，如果应用热交换系 统，可提高系统的传热效率。 然而，以上研究仅局限于微米或毫米级固体颗粒在液体中形成的悬浮液体系，虽然 这些悬浮液强化了液体的传热效果，但是由于毫米或微米级颗粒尺寸较大，极易造成管 浙江大学硕士学位论文第一章绪论 路的磨损以及细微管道的堵塞，阻碍了实际应用的可行性。而且为了保证悬浮液的稳定 性，往往在液体中添加与基液( 水或油) 密度相近的高分子有机物，但是由于有机物导 热系数较低，对体系导热系数的提高有限，而根据m a x w e l l 理论，固液两相导热系数与 固体颗粒的导热系数有很多的关系，固体导热系数越大，悬浮液体系导热系数也越大。 显然，如果能使用高导热系数的金属或金属氧化物颗粒，将可以进一步提高悬浮液的导 热系数，提高混合物的传热性能。但是，由于金属或金属氧化物颗粒与基液之间存在较 大的密度差，毫米级或微米级的固体颗粒极易在悬浮液中沉淀析出，限制了该方法的实 际应用。 基于以上分析，在液体中添加固体颗粒作为一种强化传热的方式是有效的，但是如 何有效防止管路磨损、堵塞和沉淀等问题亟待解决。 随着纳米材料科学的发展，自本世纪九十年代以来，研究人员开始将纳米技术应用 于热能工程这一传统领域。美国a r g o n n e 国家实验室的c h o i 3 】等人于1 9 9 5 年提出了纳米 流体这一崭新的概念：即把金属或非金属纳米粉体分教到水、醇、油等传统换热介质中， 制各成均匀、稳定、高导热的新型换热介质。 近几年来，美国、日本、韩国等国一些学者已开展了相应的研究工作，研究取得了 一定的成果，表明在液体中添加纳米粒子，显著地增加了液体的导热系数，增加了液体 的传热性能，显示了纳米流体在强化换热领域的广阔应用前景。但是总体而言，尚处于 起步阶段。悬浮液中纳米颗粒的分散及稳定性还存在一定的问题，为了获得稳定悬浮的 流体，大多采用加分散剂的方法，从而影响了对单纯纳米颗粒作用的研究。同时，对于 纳米流体的粘性、导热和对流换热等的实验和机理研究还没有形成一整套系统，有待于 作进一步完善。本课题的研究主要围绕这两个方面展开，以期为进一步的研究工作打下 基础。 1 2 国内外研究现状 由于纳米流体特殊的热物理性质，有别于常规尺度的颗粒悬浮液或单相流体的性质， 因此经典的传热学理论在某些领域己不再适用。目前国内外对于纳米流体的研究主要集 中在实验研究方面，许多学者也试图用各种方法来解释和分析纳米流体热物性改变的机 理，但是尚未形成统一的体系。 1 2 1 纳米流体的制各 为了更好地研究纳米流体的热物理性质，无疑制备得到稳定的纳米流体是很重要的 前提。应不同研究需要，氧化物、氮化物、碳化物、金属等纳米颗粒通过各种不同的方 法被添加到水和有机溶剂中制成纳米流体。 与传统的周一液混合物相比，虽然由于纳米颗粒粒径很小，粒子的布朗运动等因素使 粒子很难沉淀，但是在纳米流体体系中，由于纳米粒子很高的表面活性使得他们很容易 2 浙江大学硕士学位论文第一章绪论 团聚在一起，形成带有若干弱连接界面的尺寸较大的团聚体。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的。 早期的研究一般都采用两步法【4 】制备纳米颗粒或纳米管悬浮液。一般来说，有三种 方法用来解决两步法分散纳米流体所存在的问题。 1 加分散剂或调节p h 值分散剂的选择可根据纳米粒子的性质、带电类型等来定， 即选择适当的电解质作为分散剂，通过调节纳米流体的p h 值，使纳米粒子表面吸引异电 离子形成双电层，并通过双电层之间的排斥作用使粒子之间发生团聚的引力大大降低， 实现纳米粒子分散的目的。该方法是目前最为简单常用的方法，实用性较强。 2 加表面活性剂包裹微粒为了防止分散的纳米粒子重新团聚在一起，可以添加表 面活性剂，使其吸附在粒子表面，由于活性剂的存在而产生了粒子间的排斥力，使粒子 不能直接接触，从而防止团聚体的产生。该方法也相对较为简单，但是由于颗粒材料的 表面的性质与表面活性剂的性质可能存在差异，活性剂的选择是一个很重要的因素。 3 使用各种作用力分散团聚颗粒主要有球磨、高速剪切和超声分散等，而其中应 用最多的方法是超声分散。该方法的原理是利用超声频振产生的空穴效应破坏纳米团聚 体中颗粒间的吸引力( 主要是范德华力) ，从而达到分散的目的。 所有这些方法的曩的在于通过改变粒子的表面特性，破坏团聚体中小粒子之间的相 互吸引力的作用，抑制纳米粒子团聚的发生，以获得悬浮稳定的纳米流体。 尽管两步法制备存在很多问题( 尤其是比重较大的金属纳米颗粒) ，包括体系不够 稳定，易产生沉淀，需要添加表面活性剂从而改变了体系的纯度，增大了研究分析的难 度，但由于纳米粉和纳米管的制备技术已实现了工业化。所以就经济性而言，该法具有 无可比拟的优势。 相比于两步法，一步法制备纳米流体具有其独特的优势。y a t s u y as 5 】等利用真空环 境加热金属，使金属加热气化成金属烟雾，金属烟雾在碰到周围流动的冷油介质时迅速 冷却成核，首先形成原子团簇，进而形成纳米粒子，通过改变金属原材料和液体介质， 就可以制备得到各种纳米流体，用该法制备的悬浮液稳定性较好，颗粒团聚少，能存放 几周或几个月的时间。也有人利用化学法直接在溶液中形成纳米颗粒悬浮体系1 67 】。 h a l t a oz h u 等【7 i 以c u s 0 4 5 h 2 0 和n a h 2 p 0 4 h 2 0 为原料，利用微波辐射在乙烯乙二醇溶剂 中直接将c u 还原出来分散在基液中。通过电镜观察，发现制备得到的样品具有很好的分 散性和稳定性，颗粒粒径可控在5 0n m 以下。因此，用一步法制备的纳米流体可以很好 的控制颗粒的尺寸和颗粒粒径分布，对于研究而言具有很强的优势。 1 2 2 导热系数 流体导热系数作为一个关键的热物性参数，也是国内外学者的研究重点之一。早期 关于纳米悬浮液热传导的研究主要集中在添加了高浓度氧化物颗粒的流体的热物性改 3 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 变。 1 9 9 3 年，日本t o h o k u 大学m a s u d a h 掣卅分别在水中添加平均粒径为1 3n m 的y a 1 2 0 3 和2 7 r i m 的t i 0 2 粒子，制备了不同体积浓度的悬浮液，运用瞬态热线法测试了纳米 粒子悬浮液的导热系数。实验结果表明，在液体中添加纳米粒子，显著增加了液体的导 热系数，例如，在水中添加4 3 体积比y a 1 2 0 3 和t i 0 2 粒子，形成的纳米粒子悬浮液 的导热系数比水分别提高3 2 和l l 。两种纳米粒子悬浮液的粘度实验结果表明，悬浮 液粘度并未明显增大，预计流动时将不会引起大的阻力损失，这是文献报道的首例关于 纳米颗粒应用于强化传热新技术的研究。 1 9 9 5 年，美国a r g o n n e 国家实验室的c h o i 【3 j 等在研究悬浮有毫米或微米级固体粒 子高效传热冷却工质流动与传热特性时，发现毫米或微米级的固体粒子虽然增强了液体 内部的能量传递过程，强化了传热，但同时这些毫米或微米级粒子在实际应用中易沉淀， 且容易引起磨损、堵塞管路等不良结果，大大限制了其在工业实际中的应用。针对这个 问题，1 9 9 5 年，c h o i 在国际上首次提出了“纳米流体”的概念。c h o i 运用传统的固液两 相悬浮液的导热系数关联式，预测了纳米流体的导热系数，计算结果表明，在液体中添 加纳米粒子，能够提高液体的导热系数。通过比较纳米流体与传统纯液体工质传热性能 的差异，c h o i 指出，在同样的传热负荷下，如果增加传热效率2 倍，使用纯液体工质的 热交换设备需耗费1 0 倍的泵送功率，而如果使用导热系数增大了3 倍的纳米流体作为换 热工质，则几乎不需要增加泵功率，就可以使热交换设备的传热效率提高2 倍。因此， c h o i 认为使用纳米流体作为换热工质，可显著提高热交换系统的传热性能，节约泵功率， 减小热交换设备的尺寸和重量，降低运行成本，具有许多潜在的优势。 1 9 9 7 年，e a s t m a n 州等采用气相沉积法制备了c u 沪水，c u - 机油、a 1 2 0 3 一水等几种纳 米流体，并采用瞬态热线法测量了上述纳米流体的导热系数，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热系数，纳米流体的导热系数随纳米粒子的体积份 额的增大而增大，例如，以不到5 的体积比在水中添加氧化铜纳米粒子，则形成的纳米 流体导热系数比水提高近1 5 以上。另外，实验还发现，纳米粒子的性质是纳米流体的 导热系数的影响因素，例如，在水中添加相同体积份额的c u 0 和a 1 2 0 3 纳米粒子，则c u 0 一 水纳米流体的导热系数比a 1 2 0 3 一水纳米流体的导热系数大。 随后，a r g o n n e 国家实验室的研究小组又测量了几种悬浮有金属氧化物纳米粒子的纳 米流体的导热系数1 4 】，进一步讨论了纳米粒子种类对纳米流体导热系数的影响。实验结果 表明，纳米粒子的导热系数随纳米粒子的体积份额的增加而几乎呈直线上升，但不同的 纳米流体增加的比例不同，纳米粒子种类对纳米流体导热系数有较大的影响。 通过对比a r g o n n e 国家实验室与m a s u d a 的实验数据，研究人员发现，在添加相同体 积份额纳米粒子的情况下，日本m a s u d a 制备的a 1 2 0 3 一水纳米流体导热系数比a r g o n n e 实 验室制备的a 1 2 0 3 一水纳米流体约大2 0 ，a r g o n n e 国家实验室的研究人员认为其主要原 因可能是：m a s u d a 使用的a 1 2 0 3 纳米粒子的粒径为1 3 n m ，而他们使用的a 1 2 0 3 纳米粒子 的粒径为3 8 n m ，由于纳米粒子的粒径减小，液体与粒子间具有较大的界面积，因此其间 4 浙江大学硕士学位论文第一章绪论 的热传递就越快越有效，即导热系数越高；妇s u d a 在制备纳米流体时采用了调整p h 值、 高速分散技术，制备的纳米流体悬浮液稳定性比a r g o n n e 国家实验室制备的纳米流体要 高。由此，可以看出，除了纳米粒子的种类、体积份额是纳米流体导热系数的影响因素 外，纳米粒子的尺寸及纳米流体的分散性、悬浮稳定性也影响了纳米流体的能量传递过 程。 1 9 9 9 年，美国普度大学的w a n gx w 和c h o i 合作，也开展了纳米流体导热系数的实 验测量工作1 1 0 1 。他们采用稳态平板法测量了纳米c u o 、y a 1 2 0 3 的水基、乙二醇基以 及油基纳米流体的导热系数和粘度( c u 0 ；2 3 n m 、y a 1 2 0 3 ：2 8 n m ) ，并简要分析了纳 米粒子提高导热系数的机理。 2 0 0 1 年，e a s t m a n 等【l l 】采用气相沉积法制备了c u - 乙二醇纳米流体，实验结果显示， c u 乙二醇纳米流体的导热系数远大于c u o 乙二醇纳米流体以及纯乙二醇的导热系数， 例如，在乙二醇中添加o 3 体积份额的尺度在1 0 n m 左右的铜纳米粒子，则形成的纳米 流体导热系数比乙二醇提高4 0 以上，而体积份额为1 0 的c u o 乙二醇纳米流体的导 热系数只比乙二酵提高了不到5 ，再次实验验证了纳米粒子的性质是纳米流体导热系数 的一个重要影响因素。 王补宣等n 2 1 ( 2 0 0 2 ) 测量了仅含0 4 体积浓度的纳米c u 0 悬浮液的导热系数，却发 现了近1 7 的增加。p a t e l 等t u 】对添加了体积分数仅为0 0 1 1 的金或银纳米颗粒的水 和甲苯悬浮液进行研究时发现，导热系数提高了2 l 左右。 宣益民和李强( 2 0 0 0 ) 【1 4 】( 2 0 0 3 ) i ”】利用瞬态热线法测量了c u 一水、c u 一变压器油纳米 流体的导热系数( c u 纳米颗粒的平均粒径在1 0 0 n m 左右) ，实验结果显示颗粒体积浓度 是影响导热系数增加的主要因素之一。 a s s a e l 等【1 6 l ( 2 0 0 5 ) 试图重复c u 纳米流体的导热系数实验：在水中添加0 5 体积浓 度c u 纳米颗粒( 粒径为5 0 n m 左右) ，并没有观察到像e a s t m a n 等测量得到的那样明显 的增强。与e a s t m a n 等1 1 2 】的实验结果比较，显示e a s t m a n 的纳米流体在增强导热系数作 用方面具有更优越的性能，分析认为主要原因是e a s t m a n 选用纳米颗粒粒径很小。 同时，研究人员发现不管是高浓度的氧化物纳米流体【l 7 】还是低浓度的金属纳米流体 f 1 3 1 ，都表现出了导热系数与温度的强烈依赖关系，在2 0 5 0 之间，导热系数增加幅度 在1 - 3 倍之间变化。学者认为如果这种变化关系在很大的温度范围内同样成立的话，纳 米流体将有更为特别的应用价值。 由于碳纳米管的特殊结构性质，一些学者开始将碳纳米管添加到水或油中制备成一 种新型的纳米流体。b i e r c u k 等i 堪l ( 2 0 0 2 ) 首次将单壁碳纳米管添加到环氧聚合物中( 质 量浓度为1 ) ，在室温条件下测量其导热系数，发现了近1 2 5 的提高，同时观察到了 随着温度的增加，导热系数提高幅度增大。c h o i 等t 1 9 】对多壁碳纳米管添加到机油而组成 的纳米悬浮液( 1 v o l ) 进行了导热系数测量，也发现了类似的情况，导热系数提高了 近1 6 0 。从中可以观察到，导热系数的增加呈非线性关系，并且比线性增大要大的多。 但是另外一些学者在研究中却得到了不同的实验结果。x i e 等1 2 0 】( 2 0 0 3 ) 测量了碳纳 浙江大学碜士学位论文第一章绪论 米管一机油和水悬浮液( 体积浓度1 ) 的导热系数，只观察到1 0 - 2 0 的提高。a s s a e l 等【l6 j 测量0 6 v o l 同样悬浮液时也只发现导热系数的最大提高值不超过3 8 。w e n 和 d i n g 【2 l 】( 2 0 0 4 ) 在测量0 8 v o l 的碳纳米管一水悬浮液时发现导热系数提高了2 5 左右， 同时他们还发现当碳纳米管浓度超过0 2 v 0 1 和体系温度超过3 0 之后，导热系数不再 提高，呈现出一种饱和状态。 以上的实验研究表明了在液体中添加纳米粒子可以显著增加液体的导热系数，纳米 流体导热系数表现出了与传统液固两相混合物不同的导热行为，自2 0 世纪初以来，就有 研究者利用有效介质理论( e f f e c t i v em e d i u mt h e o r y ) 建立了预测颗粒悬浮液的导热系 数的模型，其中沿用最多的是m a x w e l l 模型【2 2 】( m gm o d e l ) 和b r u g g e m a n 模型【2 3 】。 m gm o d e l 等= 正( 1 - 面) ( 再k p + 夏2 k ：丽) + 3 4 k p ( 1 _ 1 )= l = ： ，一l 、 后r( 1 一) ( 后p + 2 j i ，) + 3 后， 、工纠 b r u g g e m a nm o d e l ：= ( 3 4 - 1 ) k p + 【3 ( 1 一) 一1 】+ 抠( 1 - 2 ) a = ( 3 一1 ) 2 巧2 + 3 ( 1 一驴) 一l 】2 够+ 2 2 + 9 ( 1 4 ) k p k ： 式中：b 为有效热导率 以为流体热导率 吒为颗粒热导率 痧为颗粒体积分数 8 u x u a nw a n g 等【2 3 】结合分形理论( f r a c t a lt h e o r y ) 改进了模型，得到了修正的m g 模型；而w y u 等犯5 1 认为纳米颗粒外液体层对导热系数具有很重要的影响，也对m g 模型 进行了修正，并且认为颗粒尺寸大小是影响导热的最重要的因素。 1 2 3 流动及对流换热 作为一种新型的强化传热工质，将纳米流体应用于工业实际，除了测定其导热系数 外，研究纳米流体在流动状态下的传热性能是非常必要的。 在纳米流体的对流换热实验中，对流换热系数的改变不仅仅依赖于导热系数的变化， 而是与其他很多因素有关，诸如流体的比热容、密度和运动粘度。实验表明在低浓度的 情况下，流体的密度和比热改变不大，与基液性质相近。w a n gx 等【1 0 l 在测量a 1 2 0 3 一水纳 米流体的粘度时发现，颗粒分散性越好，粘度增大幅度越小，在添加3 v 0 1 a 1 2 0 ，纳米 颗粒时，粘度比水增大3 0 左右。而p a ka n dc h o 2 6 1 在测量相同浓度a 1 2 0 3 纳米流体时 却观察到了3 倍的粘度增大。 对于流体而言，流动特性也至关重要。x u a na n dl i 鲫( 2 0 0 3 ) 对添加了1 o 一2 o v o l 6 浙江大学硕士学位论文第一章绪论 的c u 一水纳米流体进行了湍流摩擦阻力测量，发现摩擦阻力系数几乎与水相等。 对于纳米流体对流换热的研究，许多研究者开展了大量的试验。e a s t m a n 等【2 8 】( 1 9 9 9 ) 报道了在对添a d o 9 v 0 1 c u 0 纳米颗粒的去离子水的试验中得到了超过1 5 的换热系数 提高；同样，x u a na n dl i a n 在对2 v 0 1 c u - 水纳米流体进行湍流试验时发现对流换热系 数提高超过3 9 ，在实验的基础上，综合考虑影响流体对流换热的各个因素，提出了计 算纳米流体对流换熟系数的实验关联式( 1 - 3 ) ，并与实验结果进行了比较，吻合较好。 n u 矿= q ( 1 + c 2 p 疗) r e 雾p r 。0 4 ( 卜3 ) 式中：庐为粒子的体积份额；r e 。为流体的雷诺数；尸为颗粒的贝克列数；p o 为 流体的普朗特数； c l ，9 2 ，m l ，1 1 1 2 ，m 3 分别为通过实验确定的系数和指数。 相比之下，另一些研究者却得到了完全相反的试验结果。p a ka n dc h o 2 6 1 分别测试 了a 1 2 0 3 一水( 粒径1 3 n m ) 和t i 0 2 一水( 2 7 n m ) 两种纳米流体在管内湍流状态下的对流换热 系数和阻力系数，实验结果表明，在相同雷诺数下，纳米流体的管内对流换热系数比纯 水增大许多，比如，在水中添加1 3 4 体积份额的y a 1 2 0 3 纳米粒子，相同雷诺数条件 下可增加管内对流换热系数4 5 。实验还发现，y 一烈2 0 3 一水和t i 0 2 一水两种纳米流体在 提高对流换热系数的程度上不同，对于添加相同体积份额纳米粒子的两种纳米流体，y a 1 2 0 3 纳米流体的对流换热系数增大的比例比t i 0 2 一水纳米流体要大，这表明纳米粒子的属 性是影响纳米流体对流换热系数的因素。纳米流体流动阻力特性实验表明，在添加很少 量的纳米粒子的情况下( 1 一3 ) ，与纯水在管内流动相比，两种纳米流体的圆管湍流 阻力系数几乎不增加，且不随纳米粒子的体积份额而变化。当然p a k 和c h o 也指出，由 于实验中两种纳米流体的粘度增加的比例远比对流换热系数增加的比例大，在相同流速 条件下，两种纳米流体的对流换热系数反而比水小。例如，在测量添加了3 v o l 的纳米 a 1 。0 。和t i 0 2 颗粒的流体的对流换热系数时发现在相同流速条件下下降了近1 2 。因此， p a k 和c h o 建议如果采用纳米流体作为换热工质，可以选用一些具有高导热系数且粒径 相对大的纳米材料，使得纳米流体的粘度没有过分增大，而导热系数和对流换热系数增 大比较大，即纳米流体强化传热的同时，不会由于粘度的过分增大而导致输送功率的大 幅度增加。与之类似，p u t r a 等【2 9 l 研究t a l 。0 。一和c u 0 - 水纳米流体的自然对流换熟，发现 对流换热系数下降。研究人员认为，出现减弱对流换热的情况主要是因为纳米颗粒的添 加使流体粘性的增大超过了由于导热的增加及颗粒运动对对流换热的增强效果。 宣益民等探讨了纳米流体强化传热的机理，分析了传热性能增强的原因：1 增加了液 体的表面积和热容量；2 增加了流体的导热系数；3 由于粒子和粒子、粒子和液体、粒 子和壁面之间的相互作用和碰撞，增强了流体的湍流强度；使液体截面温度分布平坦， 减小层流底层厚度。 7 浙江大学硕士学位论文第一章绪论 1 3 课题的提出及主要任务 目前国内外研究者在进行纳米流体的制备、导热系数和传热性能测试研究的同时， 正在开展纳米流体强化传热机理以及应用基础的研究工作，已进行的研究工作显示了纳 米流体在强化传热领域具有广阔的应用前景。a r g o n n e 国家实验室的一个研究小组已尝试 用纳米流体和微型换热交换器构成的高效冷却系统，以解决在高强度x 射线作用下晶体 硅镜片的散热问题p 叭。实验中对比了分别用水、液氮和金属纳米流体为换热工质的微型 热交换器的性能，结果显示，在最优化的换热器结构条件下，当使用纳米流体作为换热 工质时，热交换器热阻减小，热流密度增大，传热效率大大提高。美国几十家公司对 a r g o n n e 国家实验室关于纳米流体强化传热的研究极感兴趣，提出参与研究或购买该项技 术。2 0 0 1 年，美国能源部己将“纳米流体强化传热技术”项目列为美国国家重点研究项 目，显示了纳米流体强化传热技术的研究日益受到重视。 众多学者的研究表明，在对纳米流体研究方面还存在着一些问题：1 、不同研究人员 的试验结果缺乏一致性，这说明存在一些潜在的因素影响着纳米流体的特性：2 、如何高 效制备分散稳定性好的纳米流体；3 、对纳米流体物性改变的机理认识不够深入，对流体 导热系数和粘度的数值模拟计算欠缺。 针对这几个主要问题，本文较为详细地研究了纳米流体的热物理特性，对纳米悬浮 液的制备进行了探索性研究，寻找一种新的制备具有高稳定性能的纳米悬浮液的方法， 在此基础上，对其粘度和导热系数进行了实验和理论研究，同时设计了分析纳米流体圆 管内强制对流换热特性的实验方案，主要内容及任务如下： ( 1 ) 纳米流体的制备及稳定性分析 纳米流体的制备是研究纳米流体热物理特性的关键一步，纳米流体悬浮稳定性分析 是将纳米流体应用于强化传热所必须的。本文利用不同方法制备纳米悬浮液，通过激光 粒度分析仪和电子显微镜( t e m ) 对其进行表征，同时比较分析其稳定性，探索分散性 好、稳定性高的纳米悬浮液的制备方法。在此基础上，获得高稳定的纳米流体，以进一 步研究其粘性、导热和对流换热特性。 ( 2 ) 纳米流体的粘度研究 纳米流体的粘度是流体流动及换热过程中的一个重要参数。本文对纳米悬浮液的粘 度进行实验研究，初步探讨流体粘度改变的机理，并对经典实验关联式进行修正。 ( 3 ) 纳米流体的导热系数的实验研究 纳米流体提高流体传热性能的一个主要原因就是大大提高了流体的导热系数。本文 对不同种类、不同体积份额的纳米悬浮液导热系数进行实验研究，分析纳米粒子属性、 体积份额和颗粒尺寸等对纳米流体导热系数的影响。 ( 4 )纳米流体的导热机理及模型研究 由于纳米流体中纳米粒子的小尺寸效应，纳米粒子有着强烈的布朗扩散作用，并且 粒子间存在着碰撞、粘连等状态，因此其导热机理远比纯液体介质或毫米微米级颗粒悬 8 兰堕苎兰竺圭兰竺丝羔 兰二兰丝堡 浮液复杂。 本文从纳米流体中颗粒的运动和颗粒表面特性两个方面分析纳米流体导热系数的增 大机理。同时，利用有效介质理论，综合考虑纳米粒子的分布规律和颗粒的界面特性， 建立用来预测纳米流体导热系数的理论模型，并且利用该模型对影响纳米流体导热系数 提高的因素进行分析。 ( 5 ) 纳米流体对流换熟特性研究 建立圆管内纳米流体对流换热实验测试系统，研究纳米流体圆管内强制对流的换热 规律，分析悬浮液中不同颗粒材料、不同颗粒粒度和浓度对对流换热特性改变的影响， 讨论雷诺数、速度变化等对纳米流体对流换热系数的影响。 9 浙江大学硕士学位论文 第二章纳米流体的制备研究及稳定性分析 第二章纳米流体的制备研究及稳定性分析 不论是科学研究，还是