（工程热物理专业论文）纳米流体制备方法与输运参数的研究.pdf

属性、尺度及纳米流体悬浮稳定性对纳米流体粘度的影响。 研究表明在液体中添加纳米粒子，显著增加了液体的导热系数，显示了纳 米流体在强化传热领域具有广阔的应用前景。 关键词：纳米流体，强化传热，导热系数，粘度 a b s t r a c t w i t l lp r o g r e s s e so ft h e r r n o s c i e n c ea n dt h e r m a le n g i n e e r i n g m a n ye f f o r t sh a v e b e e nd e v o t e dt oh e a tt r a n s f e re n h a n c e m e n t a l t h o u g ha v a r i e t yo f t e c h n i q u e s ，s u c ha s a d d i t i o no fs u r f a c ea r e a ，s w i r lf l o wd e v i c e s ，v i b r a t i o no fh e a t e ds u r f a c e ，v i b r a t i o no f f u i d ，a r ea p p l i e dt oe n h a n c eh e a tt r a n s f e r , m a j o ri m p r o v e m e n t si nh e a tt r a n s f e r c a p a b i l i t i e s h a v eb e e nh e l db a c kb e c a u s eo ft h el o wt h e r m a l c o n d u c t i v i t yo f c o n v e n t i o n a lh e a tt r a n s f e rf l u i d s i m p r o v e m e n to ft h et h e r m a lp r o p e r t i e so f e n e r g y t r a n s m i s s i o nf l u i d sm a yb e c o m ea p r o m i s i n g t r i c ko f a u g m e n t i n gh e a tt r a n s f e r a ne f f e c t i v ew a yo f i m p r o v i n gt h et h e r m a lc o n d u c t i v i t yo f f l u i d si st os u s p e n d s m a l ls o l i dp a r t i c l e si nt h ef l u i d si no r d e rt oc h a n g et r a n s p o r tp r o p e r t i e s ，f l o wa n d h e a tt r a n s f e rf e a t u r e so ft h el i q u i d s t r a d i t i o n a l l y , s o l i dp a r t i c l e so fm i c r o m e t e ro r m i l l i m e t e rm a g n i t u d e sw e r em i x e di nt h eb a s el i q u i d a l t h o u g hs u c hs o l i da d d i t i v e s m a yi m p r o v e h e a tt r a n s f e rc o e f f i c i e n t ，p r a c t i c a la p p l i c a t i o na r el i m i t e db e c a u s eo f t h e f a c tt h a tt h em i c r o m e t e ra n d o rm i l l i m e t e r - s i z e dp a r t i c l e s s e t t l er a p i d l y , c l o gf l o w c h a n n e l s ，e r o d ep i p e l i n e sa n dc a u s es e v e r ep r e s s u r ed r o p s m o d e m n a n o t e c h n o l o g yp r o v i d e s n e w c h a l l e n g e s a n dc h a n c ef o r t h e r m o s c i e n c e an e wc l a s so fh e a tt r a n s f e rf l u i d sc a l l e d ”n a n o f l u i d s ”h a sb e e n p r o p o s e d n a n o f l u i d sr e f e rt o an e wk i n do fh e a tt r a n s p o r tf l u i d sb ys u s p e n d i n g n a n o s c a l e dm e t a l l i co rn o n m e t a l l i cp a r t i c l e si nb a s ef l u i d s n a n o f l u i d sa r ee x p e c t e d t oe x h i b i th e a tt r a n s f e rp r o p e r t i e ss u p e r i o rt ot h o s eo fc o n v e n t i o n a lh e a tt r a n s f e r f l u i d s c o m p a r e dw i t ht h ee x i s t i n gt e c h n i q u e sf o re n h a n c i n gh e a tt r a n s f e rb ya d d i n g m i l l i m e t e ra n d o rm i c r o m e t e r - s i z e d p a r t i c l e s i n f l u i d s ，n a n o f l u i d sa p p e a r t ob e i d e a l l ys u i t e df o rp r a c t i c a la p p l i c a t i o nw i t hi n c u r r i n gl i t t l eo rn op e n a l t yi np r e s s u r e d r o pb e c a u s et h en a n o p a r t i c l e sa r es os m a l lt h a tt h en a n o f l u i db e h a v e sl i k eap u r e f l u i d t h e p u r p o s eo f t h i sp a p e r i st od e m o n s t r a t ee x p e r i m e n t a l l yt h ef e a s i b i l i t yo f t h e c o n c e p to fn a n o f l u i d s 1 1 1 er e s e a r c he f f o r t st op r o d u c ea n dc h a r a c t e r i z et h eh e a t t r a n s f e rb e h a v i o ro fn a n o f l u i d s ，i n c l u d es u c ht w om a i na s p e c t sa sp r e p a r a t i o no f 1 1 1 n a n o f l u i d sa n d e x p e r i m e n t a l d e t e r m i n a t i o no f t h e t r a n s p o r tp r o p e r t i e so f n a n o f l u i d s p r e p a r a t i o no f n a n o f l u i d si st h ef i r s tk e y s t e pi na p p l y i n gn a n o p h a s ep a r t i c l e st o h e a tt r a n s f e re n h a n c e m e n t t h i sp a p e rp r e s e n t sa p r e p a r a t i o nm e t h o d o fn a n o f l u i d s b yd i r e c t l ym i x i n gn a n o p h a s ep o w d e r sa n db a s ef u i d s s o m ea u x i l i a r yd i s p e r s a n t s a r en e c e s s a r yt oo b t a i nt h ee v e nd i s t r i b u t e da n ds t a b i l i z e ds u s p e n s i o n s w i t ht h i s m e t h o d ，s e v e r a ls a m p l e dn a n o f l u i d sw i t hd i f f e r e n tv o l u m ef r a c t i o nh a v eb e e n p r e p a r e d ，t h et e mp h o t o g r a p h s a r eg i v e nt oi l l u s t r a t et h es t a b i l i t ya n de v e n n e s so f s u s p e n s i o n s s o m ef a c t o r so f a f f e c t i n g t h e s t a b i l i t ya n d e v e n n e s so f n a n o f l u i d s ，s u c h a st h e p r o p e r t yo ff u i d ，t h ed i m e n s i o na n dt h ep r o p e r t yo fn a n o p a r t i c l e ，t h e p r o p e r t i e so f d i s p e r s a n t s ，a r ed i s c u s s e d n a n o f l u i d se x h i b i t s u p e r i o rh e a t t r a n s f e r p e r f o r m a n c et o c o n v e n t i o n a lh e a t t r a n s f e rf l u i d s o n eo fr e a s o n si st h a tt h e s u s p e n d e dn a n o p a r t i c l e sr e m a r k a b l y i n c r e a s et h et 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 d s i nt h i sp a p e r , t h et r a n s i e n t h o t - w i r ei n s t r u m e n tf o rm e a s u r i n gt h et h e r m a lc o n d u c t i v i t yo f s a m p l en a n o f l u i d si s d e v e l o p e d d e t a i l e dd i s c u s s i o n so n t h em e a s u r e m e n t p r i n c i p l ea n de r r o ra n a l y s i sa r e p r e s e n t e d t h et h e r m a lc o n d u c t i v i t i e s o ft h eo i l - n a n o p a r t i c l e sn a n o f l u i d sa n dt h e w a t e r - n a n o p a r t i c l e sn a n o f l u i d sa r em e a s u r e db yu s i n gt h i si n s t r u m e n t t h ee f f e c t so f t h ev o l u m e f r a c t i o n ，d i m e n s i o n s ，p r o p e r t i e so f t h en a n o p a r t i c l e sa n d t e m p e r a t u r eo n 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 sa r ed i s c u s s e d n l ct h e o r e t i c a ls t u d yo ft h e t 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 si n t r o d u c e dt oe x p l a i np o s s i b l em e c h a n i s m s c o n t r i b u t i n g t oe n h a n c e m e n to ft h et 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 d s i n a d d i t i o n ，b ya n a l y z i n g t h e e x p e r i m e n t a lr e s u l t s ，a c o r r e l a t i o no ft h et h e r m a l c o n d u c t i v i t yo f t h en a n o f l u i d si sp r e s e n t e d i no r d e rt oe s t i m a t et h ee n h a n c 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 s ， i n v e s t i g a t i o no nt h ev i s c o s i t yo fn a n o f l u i d si sc a r r i e do u t n x e - 1v i s c o m e t e ri s a p p l i e dt om e a s u r e t h ea p p a r e n t v i s c o s i t yo f t h es a m p l en a n o f l u i d si nt h i sp a p e nt h e v i s c o s i t i e so fs o m es a m p l en a n o f l u i d sa r eg i v e n s o m ef a c t o r so fa f f e c t i n gt h e a p p a r e n tv i s c o s i t yo ft h en a n o f l u i d s ，s u c h 硒t h ev o l u m ef r a c t i o n ，t h es h a p e ，t h e d i m e n s i o na n dt h e p r o p e r t yo f n a n o p a r t i c l e ，a r ed i s c u s s e d t h e e x p e r i m e n t a li n v e s t i g a t i o n s h a v er e v e a l e dt h a tt h en a n o f l u i d sh a v e i v 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 lp 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 e g 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 k e y w o r d s ：n a n o f l u i d s ，e n h a n c e dh e a tt r a n s f e r , t h e r m a l c o n d u c t i v i t y , v i s c o s i t y v f l ，7 主要符号说明 导温系数，m 2 s h a m a k e r 常数 定压比热，j ( 堙) 纳米粒子粒径，l l r l l 剪切速率，s 。 电流，a 导热系数，w m k 长度，m 形状因子 贝克列数 热流，w m 半径，m 电阻，q 温度，o c 或k 时间 s 电压，v 势能，j 电阻温度系数，q 。c 体积份额 运动粘度，m 2 s 密度，k g m 3 粒子球形度 介电常数 剪切应力，p a 动力粘度，p a s 下角标 p 粒子 e l f表观 ， 液体 丁 温度 母字 口4 勺d d，。三。忍。，r r ，u y 栅 a妒；h瞄；w 2 0 0 1 年硕士论文 绪论 1 绪论 1 1 概述 随着科学技术的发展和能源问题的日益突出，热交换设备的传热负荷和传 热强度日益增大，热交换设备的结构尺寸限制及使用环境也日益苛刻，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。比如，大功率发动机的 冷却、高温超导体的冷却、薄膜沉积中的热控制、强激光镜的冷却及大功率电 子元件的散热等等。因此，迫切需要研制体积小、重量轻、传热性能好的高效 紧凑式热交换设备，满足高负荷传热要求，满足特殊条件下的强化传热要求。 通常，热交换设备强化传热的措施主要从强化换热表面、制造工艺入手，研制 多种类型的换热表面，但随着热交换设各换热表面强化传热技术研究的深入， 换热工质的传热性能成为影响热交换设备高效紧凑性能的一个主要因素，另一 方面，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 纯液体换热工质已很难满足一些特殊条件下的传热与冷却要求，也就是说，低 导热系数的换热工质已成为研究新一代高效传热冷却技术的主要障碍。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。 提高液体导热系数的一种有效方式是在液体中添加金属、非金属或聚合物 固体粒子。由于固体粒子的导热系数比液体大几个数量级，如表1 1 所示，室 温下铜的导热系数是水的7 0 0 倍，是机油的3 0 0 0 倍，金属氧化物如a 1 2 0 3 的导 热系数也比单一液体大许多倍。因此，悬浮有固体粒子的两相流体的导热系数 要比纯液体大得许多。自从m a x w e l l 理论川发表以来，许多学者进行了大量关 于在液体中添加固体粒子以提高其导热系数的理论和实验研究，并取得了一些 成果。例如，l i u 【2 】和a h u j a 【3 】等人对这种强化传热方法进行了传热和阻力性能 测试，研究分析了固体粒子的体积份额、尺度及悬浮液流速等因素对悬浮液压 降、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 微米级聚氯本乙烯小珠，可使悬浮液导热系数比纯液体高许多，对流换热系数 增大，可显著提高换热器的换热效率。 然而，这些研究都局限于用毫米或微米级的固体粒子悬浮于液体中，由于 2 0 0 1 年硕士论文 绪论 1 绪论 1 1 概述 随着科学技术的发展和能源问题的日益突出，热交换设备的传热负荷和传 热强度日益增大，热交换设备的结构尺寸限制及使用环境也日益苛刻，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。比如，大功率发动机的 冷却、高温超导体的冷却、薄膜沉积中的热控制、强激光镜的冷却及大功率电 子元件的散热等等。因此，迫切需要研制体积小、重量轻、传热性能好的高效 紧凑式热交换设备，满足高负荷传热要求，满足特殊条件下的强化传热要求。 通常，热交换设备强化传热的措施主要从强化换热表面、制造工艺入手，研制 多种类型的换热表面，但随着热交换设各换热表面强化传热技术研究的深入， 换热工质的传热性能成为影响热交换设备高效紧凑性能的一个主要因素，另一 方面，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 纯液体换热工质已很难满足一些特殊条件下的传热与冷却要求，也就是说，低 导热系数的换热工质已成为研究新一代高效传热冷却技术的主要障碍。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。 提高液体导热系数的一种有效方式是在液体中添加金属、非金属或聚合物 固体粒子。由于固体粒子的导热系数比液体大几个数量级，如表1 1 所示，室 温下铜的导热系数是水的7 0 0 倍，是机油的3 0 0 0 倍，金属氧化物如a 1 2 0 3 的导 热系数也比单一液体大许多倍。因此，悬浮有固体粒子的两相流体的导热系数 要比纯液体大得许多。自从m a x w e l l 理论川发表以来，许多学者进行了大量关 于在液体中添加固体粒子以提高其导热系数的理论和实验研究，并取得了一些 成果。例如，l i u 【2 】和a h u j a 【3 】等人对这种强化传热方法进行了传热和阻力性能 测试，研究分析了固体粒子的体积份额、尺度及悬浮液流速等因素对悬浮液压 降、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 微米级聚氯本乙烯小珠，可使悬浮液导热系数比纯液体高许多，对流换热系数 增大，可显著提高换热器的换热效率。 然而，这些研究都局限于用毫米或微米级的固体粒子悬浮于液体中，由于 2 0 0 1 年硕士论文绪论 毫米或微米级粒子在实际应用中容易引起热交换设备磨损、堵塞等不良结果 而大大限制了其在工业实际中的应用。 表1 1 几种材料的导热系数 l材料银铜铝硅a 1 2 0 3水乙二醇机油 l 导热系数( w m k ) 4 2 94 0 12 3 71 4 84 00 6 10 2 5 30 1 4 5 随着纳米材料科学的迅速发展，自九十年代以来，研究人员开始探索将纳 米材料技术应用于强化传热领域，研究新一代高效传热冷却技术。1 9 9 5 年， c h o i 【4 1 等人提出了一个崭新的概念纳米流体：即以一定的方式和比例在液 体中添加纳米级金属或非金属氧化物粒子，形成一类新的传热冷却工质。国内 外一些研究人员分别测量了不同种类、不同体积份额配比的纳米流体的导热系 数分析了纳米粒子的种类、体积份额、尺度等因素对纳米流体导热系数的影 响【5 1 - - 引。研究表明在液体中添加纳米粒子，显著增加了液体的导热系数，显示 了纳米流体在强化传热领域具有广阔的应用前景。 与传统的纯液体工质及在液体中添加毫米或微米级固体粒子相比，在液体 中添加纳米粒予以强化传热这一方法的优点主要体现在以下几方面： 与纯液体相比，纳米流体由于粒子与粒子、粒子与液体、粒子与壁面 问的相互作用及碰撞，破坏了流动层流底层，减小了传热热阻，增强了流动湍 流强度，使传热增加。 在液体中添加纳米粒子，可显著增大液体的导热系数，使传热增强。 由于在粒子体积含量相同情况下，纳米粒子的表面积远大于毫米或微 米级粒子的表面积，因此，纳米流体的导热系数大于添加了毫米或微米级固体 粒子的液体的导热系数。 更为重要的是由于纳米材料的小尺寸效应，其行为接近于液体分子， 不象毫米或微米级粒子易产生磨损或堵塞等不良结果。因此，与在液体中添加 毫米或微米级粒子相比，纳米流体更适于实际应用。 纳米流体的概念为热科学领域的研究人员和热能工程等相关专业的工程技 术人员提出了新的挑战和机遇。通过对纳米流体强化传热机理的研究，研制新 型高效传热工质，探索新一代强化传热技术，可有效提高热交换设备的传热性 2 2 0 0 1 年硕士论文绪论 能，大大提高热交换设备的高效低阻紧凑等性能指标、改善动力装置的性能。 纳米流体作为一种新型传热工质将广泛应用于车辆、航天航空、船舶、电子等 领域，满足动力装置、大功率发动机、绝热发动机、空调装置、热泵系统、超 导磁体、大功率电子设备、超级计算机等设备的高负荷传热及冷却要求。对于 提高热交换系统的经济性、可靠性和小型化有重要意义，具有广阔的应用前景 和潜在的巨大经济价值。 1 2 国内外研究状况 1 2 1 国外研究状况 1 9 9 3 年，日本t o h o k u 大学的m a s u d a 等口】分别在水中添加平均粒径为1 3 n m 的 y a 1 2 0 3 和平均粒径为2 7 n 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d n 4 5 体积比的y a 1 2 0 3 粒子，形成的纳米粒子悬浮液的导热系数比水大近3 0 ，这是文献报道 的首例关于纳米颗粒应用于强化传热技术的研究。 美 a r g o n n e 家实验室的c h o i 【 4 1 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，而大大限制了其在工业 实际中的应用。针对这个问题，c h o i 在国际上首次提出了“纳米流体”的概念， 即以一定的方式和比例在液体中添加纳米级金属或非金属氧化物粒子，形成一 类新的传热冷却工质。c h o i 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，计算结果表明在液体中添加纳米粒子，可以提高悬浮 液的导热系数。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，显示 了纳米流体应用于热交换设备所带来的潜在优势。 在c h o i 提出了纳米流体的概念后，a r g o n n e 国家实验室的研究小组就围绕着 纳米流体的制备技术、纳米流体导热系数测量等方面进行了相应的研究工作。 2 0 0 1 年硕士论文绪论 能，大大提高热交换设备的高效低阻紧凑等性能指标、改善动力装置的性能。 纳米流体作为一种新型传热工质将广泛应用于车辆、航天航空、船舶、电子等 领域，满足动力装置、大功率发动机、绝热发动机、空调装置、热泵系统、超 导磁体、大功率电子设备、超级计算机等设备的高负荷传热及冷却要求。对于 提高热交换系统的经济性、可靠性和小型化有重要意义，具有广阔的应用前景 和潜在的巨大经济价值。 1 2 国内外研究状况 1 2 1 国外研究状况 1 9 9 3 年，日本t o h o k u 大学的m a s u d a 等口】分别在水中添加平均粒径为1 3 n m 的 y a 1 2 0 3 和平均粒径为2 7 n 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d n 4 5 体积比的y a 1 2 0 3 粒子，形成的纳米粒子悬浮液的导热系数比水大近3 0 ，这是文献报道 的首例关于纳米颗粒应用于强化传热技术的研究。 美 a r g o n n e 家实验室的c h o i 【 4 1 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，而大大限制了其在工业 实际中的应用。针对这个问题，c h o i 在国际上首次提出了“纳米流体”的概念， 即以一定的方式和比例在液体中添加纳米级金属或非金属氧化物粒子，形成一 类新的传热冷却工质。c h o i 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，计算结果表明在液体中添加纳米粒子，可以提高悬浮 液的导热系数。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，显示 了纳米流体应用于热交换设备所带来的潜在优势。 在c h o i 提出了纳米流体的概念后，a r g o n n e 国家实验室的研究小组就围绕着 纳米流体的制备技术、纳米流体导热系数测量等方面进行了相应的研究工作。 2 0 0 i 年硕士论文 t 绪论 e a s t m a n 等【6 i 在充入纯净愤性气体的超赢冀空环壤波，题激必照射金属辍，使金 属受热蒸发产生金簇爝雾，烟雾经液氮冷却而凝结为纳米粒子，落入液体中形 成纳米流体。通过改变金属和液体种类，就可制器不同类型的纳米浚体。e a s t m a n 等采飕这转气根凝积法制各了酝j 一水，c u 梳油、a i ：0 3 一水等几种纳米流体， 通过电镜观察及静置实验发现，纳米流体悬浮液中被子分散牲较好、悬浮稳定 性较裹，纳米浚体可稳定悬浮几天甚至一躅左右。e a s t m a n 等采角瞬态燕线法测 蓬了上述纳采流体的导热系数，实验结果显示，在液体中添加绒米粒子，晟著 增加了液体的导热系数，纳米波体的导热系数隧纳米粒子的体移 份额的增加而 增大。铡拓，良不到5 的体积眈在水中添加氧化铜纳米粒子，则形成的纳米滚 体导热系数比水提高近1 5 以上。另终，实验逐发现，继米粒子懿性质莛纳米 流体的导热系数的影瞒因素，饲如，在水中添加相同体积份额的c u o 和a 1 2 0 3 纳米粒子，则c u o 水纳米流体的导热系数e b a l 2 0 3 水纳米流体躲导热系数 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釉悬浮鸯金属氧化物纳米 粒予的纳米浚体的导热系数p i ，进步讨论了纳米粒子种类对纳米流体导熟系 数的影响。实验结采表明，纳米流体的导热系数随纳米粒予的体积份额的增热 丽几乎星篮线上丹，但不周的纳米滚体增加鹩 例不闷，纳米粒子种类对纳米 流体导煞系数有较大彰晌。例如，添加3 体积院的纳米粒子，c u d 一水、a 1 2 0 3 水、c u o 一乙二醇、a h o r 一乙二醇四融纳米漉体的导热系数分剐增大1 0 9 5 、 1 、1 1 5 、1 0 9 倍。 通过对比a 蝎o n n e 国家实验室- 与m a s u d a 的实验数据，不难看出，在添加相同 体积份额纳米粒子煞情况下，舀本m a s u d a 铜j 备的a 1 2 0 3 水纳米流体导热系数 眈制备的a 1 2 0 3 水纳米流体约大2 0 ，a r g o n n e 压l 家实验室的 l 究人员认为其 主要原因可能是；m a s 穗a 使用韵a 1 2 0 3 绡米粒子的粒径为1 3 r i m ，而他们使用的 a 1 2 0 3 纲米粒子的粒径为3 8 n m ，由于纳米粒子的粒径越小，液体与牲子阀具有 较大的爨恧积，因此其阉的热传递就越快越有效，邵导热系数越高；m a s u d a 在 制备纳采流体讨采角了谲整p h 值、高速分散技术，制备的纳米流体悬浮稳定性 比a r g o n n e 豳家实验室铡罄豹纳米滚体要离。蠹龅，对班看出，除了纳米粒子的 种类、体移 份额燕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、悬浮稳定性也影蟪了绒米流体的# 2 爨传递过程。 矗 2 0 0 1 年硕士论文绪论 美国普渡大学的w a n g 、x u 和c h o i 合作，也开展了纳米流体输运参数的实验 测量工作踊l 。他们采用稳态平板法测量了几种纳米流体的导热系数和粘度，并 简要分析了纳米粒子提高流体导热系数的机理。 目前，国外在纳米流体强化传热领域的研究，已初步完成了纳米流体制备、 纳米流体输运参数测定和纳米流体传热性能测试，正在开展纳米流体强化传热 机理的研究工作。已进行的研究工作显示了纳米材料在强化传热领域具有广阔 的应用前景。a r g o r m e 虱家实验室的一个研究小组已尝试用纳米流体和微型热交 换器构成高效冷却系统，以解决在高强度x 射线作用下晶体硅镜片的散热问题。 该系统的冷却强度可达3 0 m w m 2 9 】。美国几十家公司对a r g o n n e 亘家实验室关 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。最近， 美国能源部已将“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正日益受到重视。 l ，2 2 、国内研究状况 多年来，国内一些高校和科研机构在强化传热理论和技术方面做了大量的 研究工作，取得了令人瞩目的成果，但主要局限于传统的强化传热技术领域， 尚未见有关纳米材料应用于强化传热领域的研究报道。 自1 9 9 7 年以来，本文作者所在课题组率先在国内开展了将纳米材料应用于 强化传热领域的基础研究工作，制备了c u 一水、c u 一机油、a i 一水、a 卜一机 油等纳米流体；运用瞬态热线法测试了上述纳米流体的导热系数；测量了纳米 流体的粘度；实验研究了纳米流体的对流换热性能，取得了一些阶段性研究成 果。 1 3 本文工作简介 本文通过实验研究，针对不同种类、不同体积份额配比的纳米流体，围绕 纳米流体制备技术与纳米流体输运参数测量两方面内容，研究纳米流体制备方 法，实验测定纳米流体输运参数，研制新型高效换热工质一纳米流体，研究 纳米流体强化传热机理，研究以纳米流体作为传热工质的新一代传热及冷却技 术。 研究内容包括以下几个方面： 5 2 0 0 1 年硕士论文绪论 美国普渡大学的w a n g 、x u 和c h o i 合作，也开展了纳米流体输运参数的实验 测量工作踊l 。他们采用稳态平板法测量了几种纳米流体的导热系数和粘度，并 简要分析了纳米粒子提高流体导热系数的机理。 目前，国外在纳米流体强化传热领域的研究，已初步完成了纳米流体制备、 纳米流体输运参数测定和纳米流体传热性能测试，正在开展纳米流体强化传热 机理的研究工作。已进行的研究工作显示了纳米材料在强化传热领域具有广阔 的应用前景。a r g o r m e 虱家实验室的一个研究小组已尝试用纳米流体和微型热交 换器构成高效冷却系统，以解决在高强度x 射线作用下晶体硅镜片的散热问题。 该系统的冷却强度可达3 0 m w m 2 9 】。美国几十家公司对a r g o n n e 亘家实验室关 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。最近， 美国能源部已将“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正日益受到重视。 l ，2 2 、国内研究状况 多年来，国内一些高校和科研机构在强化传热理论和技术方面做了大量的 研究工作，取得了令人瞩目的成果，但主要局限于传统的强化传热技术领域， 尚未见有关纳米材料应用于强化传热领域的研究报道。 自1 9 9 7 年以来，本文作者所在课题组率先在国内开展了将纳米材料应用于 强化传热领域的基础研究工作，制备了c u 一水、c u 一机油、a i 一水、a 卜一机 油等纳米流体；运用瞬态热线法测试了上述纳米流体的导热系数；测量了纳米 流体的粘度；实验研究了纳米流体的对流换热性能，取得了一些阶段性研究成 果。 1 3 本文工作简介 本文通过实验研究，针对不同种类、不同体积份额配比的纳米流体，围绕 纳米流体制备技术与纳米流体输运参数测量两方面内容，研究纳米流体制备方 法，实验测定纳米流体输运参数，研制新型高效换热工质一纳米流体，研究 纳米流体强化传热机理，研究以纳米流体作为传热工质的新一代传热及冷却技 术。 研究内容包括以下几个方面： 5 2 0 0 1 年坝士论文 绪论 1 纳米流体制备及悬浮稳定性研究 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。纳米流体悬浮 稳定性的研究是将纳米流体应用于强化传热所必需的。在纳米粒子悬浮液中， 由于颗粒表面的活性使它们很容易团聚在一起，形成带有若干弱连接界面的较 大的团聚体，要想使纳米颗粒均匀、稳定地分散在液体介质中，必须研究不同 种类、不同体积份额纳米流体的分散性、稳定性、持久性及粒子的低团聚性， 研究纳米流体的制备技术，获得悬浮稳定的纳米流体。 2 纳米流体导热系数的实验测量 纳米流体提商流体传热性能的一个主要原因就是纳米粒子大大提高了悬 浮流体的导热系数。本文针对不同种类、不同体积份额配比的纳米流体，研制 瞬态热线装置，测量不同种类、不同体积浓度的纳米流体的导热系数，分析纳 米粒子种类、形状、尺度和体积浓度以及纳米流体温度对纳米流体输运参数的 影响，探讨纳米流体强化导热系数的机理。 3 纳米流体粘度的实验测量 采用粘度计，测量纳米流体的粘度，分析纳米粒子的体积份额、属性、尺 度及纳米流体悬浮稳定性对纳米流体粘度的影响。 纳米流体强化传热技术研究是工程热物理与能源利用学科、化学和材料学 科跨领域的国际前沿研究课题，开展纳米流体强化传热技术的研究，对于丰富 热科学领域的研究内涵，研制新型高效传热工质，研究新一代强化传热技术， 提高热交换设备的高效低阻紧凑等性能，满足高负荷传热与冷却要求，推动纳 米流体在车辆、航空、电子等领域的应用具有重要的理论意义，具有很高的学 术价值和重要的应用价值。 1 4 本文工作背景 本文工作受到国家自然科学基金( n o 5 9 9 7 6 0 1 2 ) 、国家教育部“高等学校 骨干教师资助计划”和国防基础研究基金( j 1 4 0 0 d 0 0 1 ) 的资助。 6 2 0 0 1 年坝士论文 绪论 1 纳米流体制备及悬浮稳定性研究 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。纳米流体悬浮 稳定性的研究是将纳米流体应用于强化传热所必需的。在纳米粒子悬浮液中， 由于颗粒表面的活性使它们很容易团聚在一起，形成带有若干弱连接界面的较 大的团聚体，要想使纳米颗粒均匀、稳定地分散在液体介质中，必须研究不同 种类、不同体积份额纳米流体的分散性、稳定性、持久性及粒子的低团聚性， 研究纳米流体的制备技术，获得悬浮稳定的纳米流体。 2 纳米流体导热系数的实验测量 纳米流体提商流体传热性能的一个主要原因就是纳米粒子大大提高了悬 浮流体的导热系数。本文针对不同种类、不同体积份额配比的纳米流体，研制 瞬态热线装置，测量不同种类、不同体积浓度的纳米流体的导热系数，分析纳 米粒子种类、形状、尺度和体积浓度以及纳米流体温度对纳米流体输运参数的 影响，探讨纳米流体强化导热系数的机理。 3 纳米流体粘度的实验测量 采用粘度计，测量纳米流体的粘度，分析纳米粒子的体积份额、属性、尺 度及纳米流体悬浮稳定性对纳米流体粘度的影响。 纳米流体强化传热技术研究是工程热物理与能源利用学科、化学和材料学 科跨领域的国际前沿研究课题，开展纳米流体强化传热技术的研究，对于丰富 热科学领域的研究内涵，研制新型高效传热工质，研究新一代强化传热技术， 提高热交换设备的高效低阻紧凑等性能，满足高负荷传热与冷却要求，推动纳 米流体在车辆、航空、电子等领域的应用具有重要的理论意义，具有很高的学 术价值和重要的应用价值。 1 4 本文工作背景 本文工作受到国家自然科学基金( n o 5 9 9 7 6 0 1 2 ) 、国家教育部“高等学校 骨干教师资助计划”和国防基础研究基金( j 1 4 0 0 d 0 0 1 ) 的资助。 6 2 0 0 1 年硕士论文2 纳米流体的制各及悬浮稳定性的研究 2 纳米流体的制各及悬浮稳定性研究 2 1 引言 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 统的液一固混合物相比，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，由于颗粒表面的活性使它们很容 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。一般来说，有三种方 法用来解决纳米流体的悬浮稳定性问题。 ( 1 ) 加入反絮凝剂形成双电层反絮凝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分散剂，调节纳米流体p h 值，使纳 米粒子表面吸引异电离子形成双电层，通过双电层之间排斥作用使粒子之间发 生团聚的引力大大降低，实现纳米