一种纳米流体传热传质监测装置及方法

摘要

本发明公开了一种纳米流体传热传质监测装置及方法，通过记录测量点处非牛顿流体为基液的纳米流体超声衰减幅值和测量探头与反射板之间的距离；重复调节探头与测量点的位置关系至测量完毕，计算机数据处理系统将声波频率信号获得纳米流体的导热系数增量和纳米流体扩散系数，监测装置包括样品池和超声脉冲发射接收仪，样品池内设置有用于放置纳米流体的流体输送槽，流体输送槽内设置有反射镜，超声波直探头用于发出超声波脉冲到流体输送槽内的反射镜上，并接收反射镜反射回的反射波，超声脉冲发射接收仪连接至数据采集处理系统，本方法可对流动状态下纳米流体导热系数增量和扩散系数进行实时高精度监量。

说明书

【技术领域】

本发明属于流体传热传质现象的观测技术领域，具体涉及一种纳米流体传热传质监测装置及方法。

【背景技术】

大量的工业和科研领域的发展离不开对纳米尺度粒子的扩散-团聚-沉降现象的研究。在工业上，这些研究有助于监测和控制产品的制造过程、提高产品质量，这些领域及工业过程包括金属粉末，药品，食品，化妆品，污染控制，陶瓷和其他材料的制备等方方面面；药物在人体内的缓释过程可被视为一个药品分布和沉降的函数；许多可以被视作纳米流体的食品和饮料的味道和质地极大地取决于组成其颗粒的扩散和团聚现象；因为两相燃烧中粒子的行为至关重要，对颗粒分布的了解程度在涉及化石燃料系统的航空领域是一个决定成败的因素；对于气象学家来说，他们则十分关注测量云中纳米颗粒的分布情况。

综上所述，在新材料的科学研究、工艺设计、合成、表征、改性、技术开发、加工成型等很多领域都涉及到纳米流体介质的输运问题。纳米流体指纳米尺度粒子的胶体悬浮液，很多研究表明纳米流体在其粒子(团)输运过程中呈现很多与非牛顿/粘弹性流体类似的现象，如粒子(团)无规则迁移、弥散、聚集现象、各向异性的非线性应力-应变本构关系及与几何分形结构相关联等。目前学术界认为，对于纳米流体的许多性质，如纳米材料的表征、纳米团聚的起因和消除、表面吸附和脱附、分形结构、非牛顿/粘弹性/流变性、纳米复合微粒和粉体的制取等许多方面都有待开展深入的研究。深刻认识、理解纳米流体输运过程中的复杂微结构特征及粒子无规则迁移、弥散、聚集(团聚)的几何学特征和动力学机理，对新材料科学的研究与发展及新技术的开发具有非常重要的作用，也是近些年来国内外众多科学家一直非常关注的问题。纳米流体在纳米团聚区域生长形成过程中，粒子(团)扩散、再分配以及这些纳米颗粒团聚区域的微结构对材料的性能具有极大的影响。由于纳米颗粒的团聚现象，用于描述微米级和毫米级或更大粒子悬浮于流体的传统输运参数对于纳米流体并不适用，传统的导热系数和扩散系数难以描述纳米流体流动结构、输运特性和纳米流体粒子的分布形态。

现有文献中，美国的Epstein,Carhart,Allegra和Hawley建立了ECAH模型；上海理工大学的蔡小舒、苏明旭等采用单收单发测量声衰减系数与颗粒粒度之间的关系，并使用多次回波反射法测量两相流的密度和浓度等；东北大学的孙远广等使用两发两收超声法检测液固两相流固相浓度及沉降速度；北京理工大学的徐春广、阎红娟等提供了一种高精度多相流体密度和浓度及颗粒粒度的超声阵列检测方法。并没有关于如何使用超声测量装置测量流动状态下纳米流体导热系数增量和扩散系数的相关方法。

【发明内容】

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种纳米流体传热传质监测装置及方法，对流动状态下纳米流体导热系数增量和扩散系数进行实时高精度监量。

本发明采用以下技术方案：

一种纳米流体传热传质监测装置，包括样品池和超声脉冲发射接收仪，所述样品池内设置有用于放置纳米流体的流体输送槽，所述流体输送槽内设置有反射镜，纳米流体中沿重力方向设置有多个检测点，所述超声波发出的超声波脉冲被所述反射镜反射回的反射波被超声脉冲发射接收仪接收后发送给数据采集处理系统，数据采集系统根据接收到的超声衰减谱得到多个纳米溶液中颗粒团簇的粒径分布图，进而得到重力场对纳米流体中纳米颗粒团聚沉淀现象的影响以及以非牛顿流体为基液的纳米流体在流动状态下团聚现象对其传热传质的影响。

进一步，所述的纳米溶液通过保温型计量泵注入到流体输送槽中。

进一步，所述的保温型计量泵流量的调节比例与反射镜到流体输送槽左侧壁的距离的变化比例一致。

进一步，所述样品池和超声脉冲发射接收仪之间设置有缓冲区，超声脉冲穿过该缓冲区而进入到纳米流体的样品区。

一种纳米流体传热传质监测方法，在盛放有纳米流体的样品区放置一个反射镜，超声波发出超声波脉冲，该超声波脉冲被反射镜反射后被超声脉冲发射接收仪接收，该反射信号被发送给数据采集处理系统，数据采集系统根据该反射信号得到超声波脉冲的超声衰减谱，根据该超声衰减谱得到多个纳米溶液中颗粒团簇的粒径分布图，进而得到重力场对纳米流体中纳米颗粒团聚沉淀现象的影响以及以非牛顿流体为基液的纳米流体在流动状态下团聚现象对其传热传质的影响。

进一步，所述的超声衰减谱是根据以下步骤得到的：首先在反射镜上沿重力方向设置多个测量点，然后将超声发射接收仪的探头对准最上端的第一个测量点，发射超声脉冲，该超声脉冲遇到反射镜后返回，记录超声分波幅度和超声探头与反射镜的距离；将超声发射接收仪的探头下移至下一个测量点，重复上述步骤，直至完成所有测量点，接着，改变超声发射接收仪与反射镜的距离，重复测量，最后根据多个测量点的超声分波幅度得到超声衰减谱。

进一步，根据多个测量点的超声分波幅度得到超声衰减谱的方法为：根据每一次测量的超声分波幅度计算声波衰减系数，然后根据该声波衰减系数换算得到声波的频率信号，最后将每一个声波的频率信号分别通过快速傅里叶变换得到频谱图。

进一步，以McClements&BLBL模型为基础，根据所述的频谱图用最优正则化反演算法得到纳米溶液中颗粒团簇的粒径分布，最后根据该粒径分布获得纳米流体的导热系数增量和纳米流体的扩散系数；

所述导热系数增量根据以下公式计算：

$k_{Br}=\frac{1}{2}\phi {\left({\mathrm{\rho c}}_p\right)}_p\sqrt{\frac{k_{B}T}{\pi r\mu }}$

其中，k_Br为导热系数增量，φ表示纳米颗粒粒子的体积份额，(ρc_p)_p表示纳米颗粒的密度和比热，k_B表示玻尔兹曼常数，T表示绝对温度，μ表示纳米流体的动力粘度，r表示纳米流体内部粒子团簇的平均半径；

所述纳米流体扩散系数根据以下公式计算：

$d=\sqrt{\frac{k_{B}T}{6\pi r\mu }}.$

进一步，所述的声波衰减系数根据以下公式计算：

其中，α为声波衰减系数，为颗粒相体积浓度，Q为离散化的颗粒尺寸额度分布，表示不同分档区间的颗粒份额多少，D为颗粒粒径，_ΔD为对D的微分，dD是对D的积分，K_ext为消声系数，按照以下公式计算：

$K_{ext}=-\frac{16}{{\sigma }^2}\underset{n=0}{\overset{\infty }{\Sigma }}(2n+1)\mathrm{Re}\left(A_n\right)$

其中，A_n表示分波幅度，n表示阶数，Re表示取实数的实部，σ为颗粒尺寸系数，σ＝ω′D/c，ω′是颗粒角频率，c是声速。

进一步，所述声波的频率信号ω的计算公式为：α＝α₀ω^γ，其中，α₀为大于0的实数，介质参数γ为0到2的任意实数。

与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：本发明装置从水平的角度观测记录纳米颗粒扩散-悬浮-沉淀现象，考虑了重力对流体中纳米颗粒的传质现象的影响，对待测流体动态条件下悬浮颗粒的无接触观测测量，避免了超声换能器与非牛顿基液接触造成损坏，并使观测者难以判断纳米颗粒的独特“反常”现象究竟是由于非牛顿流体基液与其相互作用所引起的还是接触性测量所带来的实验误差。

保温型计量泵能够很好的使纳米流体流动起来，最高排出压力可达64Mpa，计量精度在±1％以内，可以手动调节和变频调节流量，亦可实现遥控和计算机自动控制。能够在纳米流体流动的情况下，实现快速在线监测，测量结果受透光性及浓度变化影响较小，有效监测纳米颗粒团聚沉淀现象，获得待测流体中纳米颗粒的扩散分布情况。

以McClements&BLBL模型为基础，结合最优正则化算法(ORT)，反演计算得到该纳米流体中颗粒团簇的粒径分布；通过快速傅里叶变换，缩短了反演计算时间，准确测量固-液两相流中颗粒相的声衰减系数，进而得到待测纳米流体中导热系数增量与扩散系数随纳米颗粒扩散-悬浮-沉淀的变化关系，以更全面的分析影响流体传热传质扩散的因素，同时，本发明装置使用简单，通过计算机控制，免去了人为的误差，可通过计算机内部处理后，直接得到待测流体中颗粒扩散的情况。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

【附图说明】

图1为本发明监测装置示意图；

图2为本发明中流动状态下纳米流体超声波测量系统结构示意三维简图；

图3为本发明中流动状态下纳米流体超声波测量系统结构示意侧视图。

其中：1.超声脉冲发射接收仪；2.缓冲区；3.测量点；4.反射镜；5.样品池；6.流体输送槽。

【具体实施方式】

本发明提供了一种纳米流体传热传质监测装置及方法，利用超声波在纳米颗粒两相介质中传播时的声衰减谱，通过声衰减普与数学模型的比较和反演计算可获得颗粒相的粒度分布和浓度分布，可对生产生活实践中大量出现的纳米颗粒团聚沉淀现象对非牛顿流体在流动状态下传质现象的影响进行监测。

一种纳米流体传热传质监测方法，包括以下步骤：

步骤一：调节超声波探头的位置，使其刚好对准流体输送槽最上边的一个测量点；

步骤二：配置以非牛顿流体为基液的纳米流体，并加热到所需的温度，将保温型计量泵调节到所需流量，将加热到所需温度纳米流体装入保温型计量泵中，用保温型计量泵将纳米流体灌入流体输送槽；

为保证实施方法的可靠性，在纳米流体的制备过程中需要先采用超声分散法来分散纳米颗粒，将纳米流体直接置于超声场中，用超声波加以振动，克服纳米颗粒原有粒子之间的作用力，使纳米颗粒分散于液体中。

步骤三：启动计算机数据处理系统，使超声脉冲发射接收仪通过超声波探头发射超声波脉冲，记录超声衰减幅度和测量探头与反射板之间的距离；

步骤四：将超声波探头的位置调整到下一个待测量的点，重复步骤三直至所有待测量点测量完毕；

步骤五：调节反射镜到超声波探头之间的距离，维持流速不变，重复步骤三，实现变声程测量。

步骤六：与数据采集系统所连接的计算机数据处理系统可通过下述方法处理实验数据：

根据采集到的超声衰减幅度计算对应的声波的频率信号，将该声波频率信号ω经过快速傅里叶变换得到频谱图，将获得的频谱图将采用最优正则化反演算法(Optimum regularization technique,ORT)进行反演计算就可以得到纳米溶液中颗粒团簇的粒径分布。根据粒径分布的正态图像便可以得到统计意义上纳米流体内部粒子团簇的平均半径r。从而得到悬浮的纳米颗粒和粒子簇团的微运动引起的纳米流体的导热系数增量为：

$k_{Br}=\frac{1}{2}\phi {\left({\mathrm{\rho c}}_p\right)}_p\sqrt{\frac{k_{B}T}{\pi r\mu }}$

式中φ表示粒子的体积份额，(ρc_p)_p表示纳米颗粒的密度和比热，k_B表示玻尔兹曼常数，T表示绝对温度，μ表示流体(含粒子)的动力粘度，r表示纳米流体内部粒子团簇的平均半径。

而考虑纳米颗粒簇团影响的纳米流体扩散系数的Stokes-Einstein公式为：

$d=\sqrt{\frac{k_{B}T}{6\pi r\mu }}$

声波在固-液两相流中的传播和相互作用十分复杂，这一个过程中声能衰减的主要原因有：粘性损失、散射损失、热损失和内部吸收损失。采用EACH模型考虑这四种声衰减机制对颗粒两相介质声衰减和声速的影响。假设颗粒呈球形且仅发生一次作用，入射平面波和悬浮颗粒相互作用，将产生3类不同模式波：压缩波、热波和剪切波。由于剪切波和热波在流体中迅速衰减而不能被远场探测器检测到，因此最终固-液两相流中颗粒相的声衰减系数α仅与压缩波散射系数有关。考虑不同粒度颗粒的贡献，多分散颗粒系中声衰减系数的计算式为：

其中为颗粒相体积浓度，Q为离散化的颗粒尺寸额度分布，表示不同分档区间的颗粒份额多少，D为颗粒粒径，_ΔD为对D的微分，dD是对D的积分，消声系数其中颗粒尺寸系数σ＝ω′D/c，ω′是颗粒角频率，c是声速，A_n为散射系数(表示分波幅度，n表示阶数)，Re表示取实数的实部。

声波频率信号ω的计算公式为：α＝α₀ω^γ，其中α₀为大于0的实数，介质参数γ为0到2的任意实数。

本实施方法中采用的纳米流体的基液为不同浓度的羧甲基纤维素CMC水溶液。CMC采用江苏省张家港市丹尼斯克添加剂有限公司生产的FVH9型产品。该产品纯度高，溶于水后透明度较好。CMC水溶液是一种典型的假塑性流体，表观粘度只与剪切速率有关。本实施方法中采用的纳米颗粒分别为直径是20nm的Cu粒子和10nm的Al2O3。纳米颗粒粒径的误差小于5％，粒径分布的标准偏差<10％。在溶液中体积分数为0.0002％-0.03％。

请参阅图1至图3所示，本发明公开了一种纳米流体传热传质监测装置，它包括超声脉冲发射接收仪1、缓冲区2、样品池5和数据采集处理系统，超声脉冲发射接收仪1上设置有超声波直探头，样品池5内设置有用于放置纳米流体的流体输送槽6，流体输送槽6内设置有反射镜4，可移动反射镜4处于流体输送槽6中，可左右移动，超声脉冲发射接收仪1连接至数据采集处理系统。超声脉冲发射接收仪1连接超声波直探头，通过超声波直探头发射超声波脉冲声信号穿透缓冲区2进入纳米流体样品区，遇到可移动反射镜4后产生脉冲反射波，由超声波直探头接收并将声信号转换为电信号，纳米流体由保温型计量泵灌入流体输送槽6，可移动反射镜4置于流体输送槽6中。超声脉冲发射接收仪1通过数据采集系统与计算机数据处理系统连接。

流动状态下纳米流体导热系数增量和扩散系数的测量装置还包括电源，电源用来给超声脉冲发射接收仪1、保温型计量泵、数据采集系统和计算机数据处理系统提供工作电源。

保温型计量泵可以在0-100％范围内无级调节流量，且能够保持流体温度。反射镜4移动之后，流体输送槽6中流体的流速将发生变化，为使实验结果不受流速的影响，需通过调节保温型计量泵保持流体的流速不变，保温型计量泵流量的调节比例与反射镜4到流体输送槽6左侧壁的距离的变化比例一致(若反射镜4到流体输送槽6左侧壁的距离增大了5％，那么相应需调节保温型计量泵，使其流体输送槽6中的流量增大5％)。此外，保温型计量泵的保温功能可保证实验结果不受温度影响。

流体输送槽6由光学石英定制而成，横截面的直径公差为+0/-0.1mm，厚度公差为+/-0.1mm，光洁度为60/40，平行度<3分。数据采集系统,主要包括双通道高速A/D卡，保证实时信号不间断采集和存储，以适应在线检测的要求。

本发明用装置需整体水平放置，重力方向为图2中Z轴的反方向，沿重力方向在纳米流体中设置多个检测点。实验完成后，通过对比不同检测点的实验数据，将可以得到重力场对纳米流体中纳米颗粒团聚沉淀现象的影响，进而可以得到非牛顿流体为基液的纳米流体在流动状态下团聚现象对传热传质的影响。

本装置沿重力方向在纳米流体中设置多个检测点，实验完成后，将可得到多个超声衰减谱，进而可以得到多个纳米溶液中颗粒团簇的粒径分布图，通过至上而下的粒径分布图的对比，可以得到重力场对纳米流体中纳米颗粒团聚沉淀现象的影响，进而可以得到非牛顿流体为基液的纳米流体在流动状态下团聚现象对其传热传质的影响。

具体工作过程：将配置好的纳米溶液在超声场中震荡，开启保温型计量泵；将震荡好的纳米溶液通过保温型计量泵注入到流体输送槽中，待流体稳定后，开启超声脉冲发射接收仪；向计算机数据处理系统中输入程序，控制可移动反射板，同时使用数据采集系统做好记录；观测结束后，关闭保温型计量泵和超声脉冲发射接收仪的电源；用计算机数据处理系统整理实验结果。