纳米流体的黏性和流动特性研究

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、MEMS、NEMS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100nm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Cu-水、Al2O3-水纳米流体的黏度在温度超过60℃时随温度的升高而增加,而且Cu-水纳米流体在升温和降温过程中存在明显的回滞现象。CuO-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100μm、50μm中流压特性可用N-S方程来估算,但在25μm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TiO2-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CuO-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。