纳米流体的稳定性、粘度及流动特性研究

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纳米流体是指在传统换热介质中添加纳米级的颗粒,从而形成的一种新型换热工质。纳米流体因其优良的对流换热性能,在工业领域具有广阔的应用前景,因此也成为近年来国内外研究的热点。目前关于纳米流体的输运参数尚未形成统一的理论体系,但是输运参数时刻影响着能量传递的过程,因此有必要对其进行更为深入的探索。论文以Cu-H2O和ZrO2-H2O纳米流体作为研究对象,结合实验和分子动力学模拟,对纳米流体稳定性、粘度及流动特性进行了系统地研究。  首先,研究了两步法制备过程中超声振动时间和表面活性剂的使用对纳米流体稳定性的影响。结果表明:在纳米流体中添加等质量分数的SDBS并超声振动1h,可最大程度地提升纳米流体的稳定性。为了进一步研究不同类型的表面活性剂在纳米颗粒表面的吸附行为,利用分子动力学方法分别计算了三种表面活性剂分子(SDBS/CTAB/OP)与Cu、ZrO2表面间的相互作用能,发现SDBS分子与Cu、ZrO2间吸附作用最强,且SDBS分子在距离Cu颗粒表面0.25(A)附近形成厚度约2.2(A)的吸附层(1(A)=0.1 nm)。  其次,研究了环境温度、体积分数、纳米颗粒尺寸及形状等因素对纳米流体粘度的影响。通过测量不同体积分数的纳米流体在不同温度下的粘度,发现纳米流体的粘度随颗粒体积分数的增加而增大,随温度的升高而减小。采用剪切模拟的方法计算了相同体积分数的Cu-H2O的剪切粘度,结果表明:粘度受颗粒尺寸、形状等因素的影响较大,具体表现为颗粒体积越大,粘度也越大;纳米流体中含方形颗粒时的粘度大于纳米颗粒为圆形时的粘度。  最后,研究了水和纳米流体在微圆通道内的泊肃叶流动及纳米通道内的库埃特流动。通过实验测量了水和纳米流体在直径为50μm和15μm微圆管道中的流量-压力特性,发现水和纳米流体的体积流量均随驱动压力增大而增大;在驱动压力相同时,纳米流体的流量略低于水的流量。通过模拟水及纳米流体的库埃特剪切流动发现在纳米通道内,壁面附近的流体分子出现“类固体”现象;在不同剪切速度下,纳米通道内纳米流体和水的流动行为差异较大。在壁面剪切速度从1(A)/ps增大至3(A)/ps的过程中,水的速度分布未受较大影响,在通道内呈近似线性分布,但壁面处的速度滑移量会随剪切速度增大而增大;而纳米流体在运动过程中,颗粒受壁面影响而发生粘附现象,因而影响了流体中水分子的流动,表现为随着剪切速度增大,纳米流体的流动由线性流转变为非线性流。
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