细圆管内纳米颗粒悬浮液流动特性的实验研究

　　强化微小尺度传热在高新技术应用中有着重要的意义. 目前所有有关的研究均表明,在液体中加入一定比例的纳米尺度的金属或非金属颗粒,可以提高流体的导热系数,从而提高对流换热系数^[1~3]. Lee 和 Choi^[4]将纳米悬浮液用于微型换热器,对在高强度 X 射线作用下晶体硅镜片的散热问题进行了理论分析, 指出采用纳米颗粒悬浮液作冷却介质时,系统的冷却强度可高达 30 MW/m².然而,对于纳米颗粒悬浮液在小尺度条件下的流动和换热规律的研究,目前报道极少.

　　本文对氧化铜-水纳米颗粒悬浮液在细圆管中的流动特性进行了实验研究,得出了流体的流动压降和雷诺数 Re 的关系.

　　1 实验系统及方法

　　悬浮液的稳定性是影响其运用的关键, 也是研究的重点和难点. 由于颗粒尺寸的减小,位于其表面的原子所占比重变大,因此,纳米颗粒具有极高的表面能,它们在液体中很容易团聚在一起,形成尺寸较大的团聚体而沉淀下来. 为了获得均匀、稳定和低团聚的悬浮液,本文采用目前常用的加入特定分散剂并对悬浮液进行超声振荡的方法. 图1为加入分散剂前后,纳米颗粒的质量分数为 0.04 的悬浮液在电镜下观察的结果,可看出未加分散剂的液体团聚现象非常明显,而加入分散剂后, 悬浮液中颗粒的团聚得到了很好的抑制.在本实验中, 分散剂选用十二烷基苯磺酸钠(SDBS), 分散介质为去离子水. 氧化铜纳米颗粒平均粒径为50 nm,悬浮液中十二烷基苯磺酸钠的质量分数为 0.02, CuO 纳米颗粒的质量分数为0.02、0.04 和 0.06.

　　图 2 为实验系统示意图,工质为去离子水和不同质量分数的氧化铜纳米颗粒-去离子水悬浮液. 工质在恒温水浴中保持一定的温度,恒温水浴内部带有搅拌器,保证流体内部温度场分布均匀,搅拌器还能使流体内的颗粒与流体充分混合,这有助于使流体内部的颗粒保持均匀. 工质经泵加压后进入试验段. 调节旁通阀门,改变旁通量的大小,可调节流体流量到设定值. 经过实验段后的工质流回恒温水浴.

　　实验段采用内直径为 0.68 mm、1.01 mm 和1.28 mm 的不锈钢细圆管. 由于加工原因, 试件两端管径相差 3%,整理实验数据时取两端管径的平均值. 在试验段进出口处分别安装了热电偶和压力变送器,用以测定进出口处流体的温度与压力.热电偶为T型热电偶,误差为±0.1℃. 压力变送器精度等级为 0.2 级. 热电偶和压力变送器分别通过数据采集系统将数据送入电脑. 实验段外部包裹玻璃棉,保证工质在流动过程中的温度保持不变.以去离子水、质量分数w为0.02、0.04 和0.06的CuO纳米颗粒悬浮液为流体工质进行实验. 调节阀门到一定的流量, 稳定后,测量流体的流量,记录进出口处的压力值. 流量采用称重法测量.用 Mettler AE163 型电子天平称取流体的质量,其分辨度为 0.0001 g. 测量完成后,重新调节阀门改变流量值,重复上述步骤,以此类推.