PDF《纳米流体介质导热机理初探 ！》

纳米流体介质导热机理初探! 谢华清 奚同庚 王锦昌 (中国科学院上海硅酸盐研究所,上海 !"""#") (!""! 年$月%! 日收到;

!""! 年%" 月%& 日收到修改稿) 纳米流体导热行为具有许多奇异的特性, 结合纳米流体的特点和微尺度传热学原理, 研究了热流在纳米颗粒 内波动式及非限域的热传导特性、 纳米颗粒在悬浮液内的布朗运动、 颗粒'液体界面上液膜层原子的有规则排列、 以及纳米颗粒的团簇形成及移动等四方面因素对纳米流体导热系数的影响( 关键词:纳米流体,导热 ! 国家自然科学基金 (批准号: 资助的课题( %, 引言纳米流体介质是指把金属或非金属纳米粉体分 散到水、 醇、 油等传统换热介质中, 制备成均匀、 稳定、 高导热的新型换热介质, 这是纳米技术应用于热 能工程这一传统领域的创新性的研究 [%, !] ( 众所周 知, 常温下固体材料的导热系数要比流体大两个数 量级 [-] , 可以预计, 在流体中加入固体颗粒会提高导 热系数 [), #] , 但是, 如果悬浮液内的固体颗粒粒径太 大, 易于沉降, 无法形成长期稳定的悬浮液系统, 在 工业上就难以得到应用( 纳米流体克服了大颗粒悬 浮液的缺点, 由于布朗运动, 悬浮液内纳米颗粒不易 沉降 [+] , 有利于形成稳定的悬浮液, 这为工业应用提 供了基础(因为纳米材料具有大的比表面积和高的 比热 [*] , 无疑纳米粉体悬浮液具有良好的换热能力( 导热系数是反映介质换热能力的主要参数, 具 有重要理论和应用意义( .

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500 [%, !] 等 人分别研究了纳米 67! 8- 粉、 9/: 粉、 :;

粉以及 /7?@3':A@BB@A (=':) 模型 [%%] 、 C2D/B 模型[%!] 等) 预测结果比较具有许多特异的性质, 而这 些模型得到大颗粒悬浮液实验结果的验证( 纳米流 体导热系数的特异性首先表现为测量结果远大于按 现有理论模型预测结果, 比如在乙二醇 (EF) 中加入 体积含量为 ",-G 的:;

纳米粉体制备成的悬浮液 的导热系数比 EF 本身导热系数增加 )"G, 而按模 型预测的导热系数增加只有约 %G;

其次, 根据现有 模型的计算, 当固液两相的导热系数相差很大时, 悬 浮液的导热系数的相对增加值与基体液体的导热系 数关系不大, 然而纳米流体的导热系数表现出与基 体液体很强的依赖关系;

另外纳米流体的导热系数 还和纳米粉体的物化性质 (如比表面积、 形状等) 和 固液两相的相容性有关( 因此现有的模型虽然成功 解释大颗粒悬浮液的导热行为, 但无法对纳米流体 的导热行为作出预测( 现有的模型都是基于宏观热扩散理论建立起 来, 没有考虑尺度的影响, 而纳米颗粒悬浮液导热系 数出现这种特异性的主要原因是纳米颗粒尺度效应 引起的相关作用(本文从纳米颗粒热传导内在过程、 纳米颗粒布朗运动、 颗粒'液体界面上液膜层内层原 子的有规则排列、 以及纳米颗粒的团簇形成及移动 等四方面, 较直观地分析了纳米颗粒悬浮液导热系 数的特异性规律( !, 非限域热传递对纳米流体导热的 影响 应用傅里叶原理, 必须满足一个前提条件, 即热 流所传递的区域足够大, 使得热能载体 (在晶体材料 中主要是声子) 在该区域内充分散射, 在区域的每一 第#! 卷第+期!""- 年+月H!""-H#! ("+) H%)))'"+ 物理学报6:$.-, 根据 (%) 式, ;

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7 ( J J ! P 期 谢华清等: 纳米流体介质导热机理初探