粘弹性流体基碳纳米管纳米流体导热系数实验的研究.docVIP

中国工程热物理学会 传热传质学 学术会议论文 编号：123398 粘弹性流体基碳纳米管纳米流体导热系数实验研究 周文武，阳倦成，徐鸿鹏，何玉荣，李凤臣* （哈尔滨工业大学能源科学与工程学院，哈尔滨 150001） (*Tel：0451E-mail: lifch@hit.edu.cn) 摘 要：为了获得一种既具有纳米流体的高导热系数又具有粘弹性流体的减阻性能的流体，我们以CTAC/NaSal水溶液为基液、多壁碳纳米管（MWCNTs）为纳米粒子配置了粘弹性流体基纳米流体。之后利用瞬态热线法研究了纳米流体导热系数与基液导热系数、纳米粒子体积分数、温度、MWCNT尺寸等因素的关系。研究结果表明，与基液相比，粘弹性流体基纳米流体的导热系数有明显升高，且随着粒子体积分数与温度的升高而升高。例如，1000pppm（ppm：一百万分之一）CTAC/NaSal溶液基纳米流体在体积分数1.6vol%和3.5vol%比原基液导热系数分别增大16.9%和30.6%。另外，本论文也研究了粘弹性流体基纳米流体的表面张力值与导热系数的关系。 关键词： 粘弹性流体基纳米流体，导热系数，表面张力，多壁碳纳米管，表面活性剂。 0 前言 1995年美国科学家Choi[1] 提出纳米流体的概念，即在传统的换热工质中按照一定比例加入一定量几何尺寸小于100nm的纳米粒子，均匀混合，配置成化学性质稳定的新型悬浮液-纳米流体。与毫米或微米级悬浮液相比，纳米流体的导热系数相比于基液有明显的提高，换热性能有明显改善。各国科研工作者开展了大量关于纳米流体导热系数的实验研究，研究内容涉及纳米流体的配置、应用前景、导热系数与对流换热系数的实验测量与理论预测分析[2] [3] 等，取得了一定成果。 碳纳米管是一种纤维状的细管， 最初由Iijima[4] 在实验中发现。由于碳纳米管特殊的结构及出众的导热性能，引起了科研工作者极大的兴趣。近期的研究表明沿轴向多壁碳纳米管的导热系数高达3000W/m K[5] ，这意味着在传统的基液中添加多壁碳纳米管有可能获得高导热系数的热工质。Choi [6] 研究结果表明在合成机油中添加1.0vol%多壁碳纳米管其导热系数最大可以提高160%。Xie [7] 分别在乙二醇和蒸馏水中添加了1.0vol%碳纳米管，最终导热系数分别提高了12.7%，7.0%。大量的纳米流体导热系数研究结果表明：纳米流体是一种很好的换热工质，这种新型流体可能用于未来高热流密度的换热系统。然而，在基液中添加纳米粒子也带了负面的影响，即引起基液粘度[8] 的增大，导致管路系统压降的损失增加，这阻碍了纳米流体在工业生产及其他应用领域的广泛运用。 众所周之，在液体流动管道中添加少量高聚物或表面活性剂能够极大地减少管道湍流过程中压降，这种现象被称为Toms 效应[9] 。这类减阻型流体既能表现出弹性又表现出粘性，通常称之为粘弹性流体。例如：对于阳离子表面活性剂，在适宜的浓度，温度和剪切速率范围下，先形成粘弹性的棒状胶束，随之发展成为网状，这类结构是引起湍流减阻现象的直接原因。Li 等人[10] [11] 通过大量实验研究了槽道流的添加剂减阻与换热特性，使用的添加剂是CTAC（十六烷基三甲基氯化铵）阳离子表面活性剂溶液。研究结果表明CTAC/NaSal（NaSal为水杨酸钠，可提供抗离子）表面活性剂减弱了工质沿管壁方向的脉动速度强度，提高了沿流线方向的速度（随管径的不同而不同），减少了雷诺应力等[12] [13] 。然而，当粘弹性减阻流体——表面活性剂水溶液被运用于区域集中供热系统时，我们遇到了不可避免的问题，即表面活性剂在抑制湍流脉动的同时，也减弱了管道流体与外界的换热，降低了工质的换热能力。为了解决这个问题，一部分研究人员采用物理的方法提高表面活性剂溶液的换热性能，并取得了一定效果。但是，过程实现比较复杂，限制了其在工业上的推广利用。 综合考虑纳米流体与粘弹性流体的优缺点，如果能配置一种非牛顿流体既拥有纳米流体的高导热系数又具有粘弹性流体的减阻性能，我们称之为粘弹性流体基纳米流体，那么之前纳米流体的阻力问题与粘弹性流体的换热恶化问题都将等到明显的改善。根据近期Liu[14] [15] 等人对粘弹性流体基碳纳米管的换热与减阻性能实验研究，结果表明：在粘弹性流体中添加纳米粒子对表面活性剂的减阻性能没有明显影响，减阻性能与原基液相当；相反，粘弹性流体基碳纳米管纳米流体的换热能力与基液相比有明显地改善。可是目前，国内外关于这类流体的热物性研