《纳米流体有效热导率模型的研究》由会员分享，可在线阅读，更多相关《纳米流体有效热导率模型的研究（53页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、华中科技大学 硕士学位论文 纳米流体有效热导率模型的研究 姓名：徐洁 申请学位级别：硕士 专业：凝聚态物理 指导教师：郁伯铭 20060701 华中科技大学硕士学位论文华中科技大学硕士学位论文 I 摘摘 要要 本文在考虑了几种可能的影响因素之后，建立了纳米流体有效热导率模型。 本文第一章对纳米流体热导率的实验测量、理论分析研究进展作了简要的评述。 然后， 介绍了固-液两相混合溶液热导率研究的传统模型。 第二章扼要叙述了热导率、 一维热传导、接触热阻和分形理论的基本概念。第三章是本文的重点之一，根据分 形理论和H-C模型，并考虑到纳米颗粒在液体中做布朗运动导致对流换热，建立了纳 米流体有效热导率
2、的分形模型。建立的模型可表示成纳米颗粒尺寸、分形维数，纳 米颗粒体积分数和温度的函数。由于热边界层厚度的不确定性而引入的参数c的值与 液体有关，而与投入溶液的颗粒没有关系。此外，在第三章中提出了颗粒体积分数 的临界值，当溶液中颗粒体积分数达到临界值时，纳米颗粒在溶液中做布朗运动导 致对流换热对纳米流体总的热导率的贡献达到最大，当颗粒浓度小于这一临界值时 对流换热的贡献随着颗粒浓度的增大而增大，当颗粒浓度大于这一临界值时对流换 热的贡献随着颗粒浓度的增大而减小。模型预测值与试验数据比较，两者很好地相 吻合。第四章研究了纳米流体中凝聚团对纳米流体有效热导率的影响，这是本文的 重点之二。目前虽然有研
3、究者对纳米流体中的凝聚团做了定性的分析，但还没有人 在理论上给出分析解，并对凝聚团进行详细的研究。第四章考虑了凝聚团的影响， 建立了纳米流体有效热导率的模型，并讨论了凝聚团对纳米流体热导率性质的一些 影响。定量地分析了颗粒凝聚的疏密不同及颗粒间接触的良好与否对纳米流体有效 热导率的影响。模型预测值与实验值相吻合，从而证实了模型的正确性。 关键词关键词：纳米流体，热导率，对流换热，分形，凝聚团 华中科技大学硕士学位论文华中科技大学硕士学位论文 II Abstract In this paper, the effective thermal conductivity of naofluids is
4、 derived by taking into account for the several factors respectively. A fractal model, which takes account for the heat convection due to Brownian movement of nanoparticles, for the effective thermal conductivities of nanofluids is derived. The proposed model is expressed as a function of average si
5、ze of nanoparticles, fractal dimension, minimum and maximum diameters of nanoparticles, volume fraction and temperature. No new empirical constant is introduced in the proposed model and every parameter in the model has clear physical meaning. The model predictions are compared with the experimental
6、 data, and good agreement between the model predictions and experimental data is found. It is found that the parameter c introduced in thermal boundary later is related to fluids, but independent of nanoparticles added in the fluids. It is also found that the thermal conductivity contributed by heat
7、 convection due to Brownian movement of nanoparticles increases as the volume fraction of nanoparticles is less than the critical concentration, at which the contribution from heat convection reaches the maximum value, and decreases as the volume fraction of nanoparticles is higher than the critical
8、 concentration. Moreover, Based on the fact that nanoparticles and clusters coexist in the fluids, another model for the effective thermal conductivity of nanofluids is derived. The effect of the contact between nanoparticles in clusters on the effective thermal conductivity of nanofluids is analyze
9、d. The model predictions are compared with the available experimental data, and good agreement between the model predictions and experimental data is found. The validity of the proposed models is thus verified Key words: nanofluid, thermal conductivity, heat convection, fractal, cluster 独创性声明 本人声明所呈
10、交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个 人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体， 均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到，本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 日期： 年 月 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和 借阅。本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据 库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和
11、汇编本学位论文。 保密 ，在_年解密后适用本授权书。 不保密。 （请在以上方框内打“”） 学位论文作者签名： 指导教师签名： 日期： 年 月 日 日期： 年 月 日 本论文属于 华中科技大学硕士学位论文华中科技大学硕士学位论文 1 1 综综 述述 1.1 纳米流体的概况纳米流体的概况 “纳米”（nanometer）是微观世界的一种长度度量单位。mnm 9 101 =，20nm相当 于一根头发丝的1/3000 。纳米技术是通过组建和利用纳米材料来实现特有功能作用 的高新技术，这是一种从原子着手由大到小的材料合成和控制途径。纳米材料是指 由0.1100nm的超细微粒组成的材料，包括零维的纳米粒子、
12、一维的纳米线、二维 的纳米膜和三维纳米固体。它是一门在量子级设计和组建新型材料的学科，具有小 尺寸效应、量子尺寸效应、表面效应和宏观量子隧道效应四种基本特性，不仅在高 科技领域有着不可替代的作用，也能为传统产业带来巨大的生机和活力。 在电力、化学、空调、运输和微电子等行业中，强化传热的应用十分普通，而 换热工质在其中起着十分重要的作用。常用换热工质有水、矿物油、乙二醇等，这 些工质的导热系数都比较低，换热性能较差，已逐渐成为强化传热的主要障碍之一， 因此迫切需要研制一种传热性能好的高效新型换热工质。20世纪90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
13、技术。 1995年，美国Argonne国家实验室的Choi等人1首次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金属氧化物粒子，形 成一类新的传热冷却工质。纳米流体因其在提高流体导热系数、减小壁面摩擦阻力、 改进光学性能等方面的独特特性以及在石油回收、生产新型洗涤剂等方面具有良好 的应用前景，引起了学术界和工程界的广泛关注。 1.2 纳米流体的导热性能及热导率研究进展纳米流体的导热性能及热导率研究进展 1.2.1 实验研究进展实验研究进展 Choi和Eastman等人2分别测试了Cu水、Cu机油、Al2O3水、SiO2水、 华中科技大学硕士学位论文华中科技大学硕
14、士学位论文 2 TiO2水等纳米流体的导热系数。实验结果表明，以不到5 %的体积比在水中添加氧 化铜纳米粒子，形成的纳米流体导热系数比水提高60 %以上。 此后，有很多研究者运用不同的纳米颗粒来制备纳米流体测其热导率3 20，得 到与Choi等人类似的结果，溶液中加入少量的纳米颗粒，溶液的热导率会有大幅度 的提高。 Lee等人3用纳米流体和微型热交换器构成了冷却强度可达30MW/m2的高效冷 却系统。 中科院谢华清11用自行建立的对流换热测试系统研究了纳米颗粒悬浮液介质的 平均对流换热系数，结果表明加入纳米Al2O3颗粒对提升介质的换热系数有显著的效 果。 Liu等人17研究了悬浮液内固体颗粒
15、的体积含量和颗粒尺寸对其在流动中引起 的压力降带来的影响，结果表明当悬浮液的固相体积含量小于20时，与单项流体 相比，悬浮液流动引起的压力降并无明显增加。根据这一结果，Choi 认为使用纳米 流体作为传热介质，在提高传热系数时，可显著节约泵动力，这将导致开发高效热 流体重大的技术突破，把纳米流体应用于新型换热器，可减少尺寸和重量、降低运 行成本、提高总体性能。 纳米流体制备是纳米流体应用中关键的一步。 纳米流体悬浮液中， 由于纳米颗粒 的表面活性使它们很容易团聚。因此，如何使纳米粒子均匀、稳定地分散在液体介 质中，是纳米流体制备所要解决的问题。现有制备方法可分为两种：一步法和两步 法。一步法就
16、是在颗粒制备的同时将颗粒分散到基液中去；两步法则首先制成颗粒， 然后通过超声波振动、添加活性剂或分散剂，改变溶液pH值的方法，使颗粒均匀稳 定地分散在基液中。活性剂和分散剂的选择主要依照悬浮液及粒子的性质。比如， 亲水性的分散剂适用于水粒子悬浮液，亲油性的分散剂适合于油粒子悬浮液， 常用的有硫醇、十八烯酸等。纳米流体实际应用中的一个主要问题是纳米流体的稳 定性问题。因纳米颗粒的比表面积极大，造成很大的颗粒表面能，引起悬浮液的热 力学不稳定。固体颗粒密度通常大于基液密度，因而造成悬浮液的动力学不稳定。 这些不稳定因素最终将促使颗粒沉降。但通过选取合适的颗粒种类、颗粒直径、与 华中科技大学硕士学位论文华中科技大学硕士学位论文 3 基液种类的匹配，可显著地改善悬浮液的稳定性。文献19的实验表明，分散剂的加 入、采用粘度大的基液、减小纳米颗粒直径对于悬浮液稳定性的改善非常明显。 热导率是物质最基本的热物理性质之一，流体因为具有流动性，其热导率的测 定
