对纳米流体Al2O3与CuO与水基冷却液相容性研究分析

对纳米流体Al2O3与CuO与水基冷却液相容性研究分析
通过在水基冷却液中添加30nm、50nm的纳米颗粒Al2O3与CuO，体积量同设置三种规格0.1%、0.3%、0.5%，仿真对比分析两种纳米流体在不同粒径和体积量下的物理参数，分析得出50nm的纳米流体具有更好的粘度值，同时流体密度和粘度随着体积量增加增幅降低;Al2O3比CuO与基液具有更好相容性。

标签：纳米流体;Al2O3;CuO;粘度
“纳米流体”的概念是由Choi[1]和Eastman在1995年提出并制备CuO-水、Cu-机油、Al2O3-水几种纳米流体，近年来随着对纳米流体的研究增多，发现在基液中添加高导热的纳米粒子，能够显著提升液体的传热能力;纳米粒子的大比表面积和小尺寸效应增大了颗粒与颗粒和颗粒与管壁之间的相互接触碰撞次数，增强了布朗运动，有利于整个体系保持稳定悬浮状态。

南京理工大学宣益民[2]等率先在国内开展纳米流体相关研究，讨论了雷诺数、提子体积份额对纳米流体导热和流动性能的影响，而不同金属氧化物粒子与基液相容性研究这方面内容较少。

本文将对比分析Al2O3与CuO两种纳米流体同等边界条件下冷却液的物性参数变化。

1、散热器几何结构模型
汽车散热器是汽车水冷发动机冷却系统中不可缺少的重要部件，正朝着轻型、高效、经济的方向发展。

它主要由水管和散热片（多用铝材）制成，铝制水管做成扁平形状，散热片带波纹状，注重散热性能，冷却液在散热器芯内流动，空气在散热器芯外通过。

热的冷却液由于向空气散热而变冷，冷空气则因为吸收冷却液散出的热量而升温，所以散热器性能的优劣能够对冷却系统冷却性能的发挥产生较大影响。

按照散热器中冷却液的流动方向有横流式和纵流式，本文构建了横流式的散热器结构作为纳米流体流动特性分析载体，简化后三维几何模型的散热器片厚度为1.5mm、长度为300mm、宽度20mm，散热片间距7mm，总散热片数10，如下图1所示，已省略了散热带、安装板等于冷却液流经途径无关的部分结构。

2、散热器模型网格划分
采用四面体结构化网格离散物理模型，在进一步对散热器的几何结构处理后根據各位置结构的不同需求对面网格尺寸大小进行调整，如冷却液流通的散热片内腔是造成散热器压力损失最多的位置且内腔空间狭小，因此需细化散热片处的网格尺寸，下图2是散热器计算区域体网格图，网格总数120万。

3、计算边界条件及控制方程
环境温度298K，大气压力约为101.325Kpa，入口边界为速度边界，纳米流
体冷却液进口速度分别为0.931m/s，冷却液进口温度333.1K，其中纳米流体体积份额为分别为0.1%、0.3%、0.5%，出口为自由出流，用于出口无返流的情况，并假定流动充分发展，即出口边界的法向方向上的一阶导数为零壁面为无滑移标准绝热壁面边界，结果的收敛性好。

4、计算结果分析
在数值模拟中，将纳米流体（分别为氧化铝、氧化铜）及基础水液体看作一维单相流，代入边界条件及相应的物性参数，计算结果如表2、表3。

可以看出，与基液相比，纳米流体的整体密度随纳米颗粒体积量的增加而增加，同时流体粘度参数也随着体积量的增加而变大。

CuO-H2O纳米流体30nm 级别中，体积分数从0.1%增加至0.3%密度增量为0.43%、从0.3%增加至0.5%密度增量为0.38%，对应粘度增量分别是5.3%、2.6%。

纳米颗粒在冷却液的循环流动中随着时间的增加出现粒子沉积的现象，而沉积量与增加的粒子量并正比例线性关系，反而随着体积量的增加沉积的粒子量从增加到减少，源于离子的相互作用力增加了纳米颗粒在冷却液中的碰撞，加剧布朗运动，沉积的粒子随着布朗运动的增强又部分回到液体中，50nm级别CuO-H2O的密度增加率为0.43%、0.38%，对应粘度增加率分别为4%、2%，30nm级别Al2O3-H2O的密度增加率为0.23%、0.22%，对应粘度增加率分别为6.4%、1.4%，50nm级别Al2O3-H2O 的密度增加率为0.27%、0.17%，对应粘度增加率分别为1.5%、2.1%。

通过比较增量发现Al2O3-H2O纳米流体也有同样密度与粘度变化规律。

此外，50nm级别的纳米流体比30nm级别流体具有更小的粘度变化，颗粒直径增大增强了与附近颗粒的吸引力，在流动过程中碰撞次数增加，使得粒子沉积现象得到缓解，液体整体粘度增幅下降。

因此，纳米粒径增大可增强布朗运动降低液体粘度增幅。

同时又比较同样粒径同体积分数的两种纳米流体粘度可发现无论是较小粒径还是较大粒径，Al2O3-H2O较CuO-H2O具有更小的密度与粘度，可推测，Al2O3比CuO与基液的相容度更好。

5、结论
（1）50nm级别的纳米流体比30nm级别纳米流体具有更小的粘度变化，较大粒径的纳米流体内部粒子间相互作用力增加，减缓粘度和密度增幅;同时体积量的增加，增加了流体内部的粒子碰撞次数，加剧了同等边界条件下的布朗运动，纳米液体的密度与粘度随着体积量的增加而降低增幅。

（2）Al2O3-H2O较CuO-H2O冷却液在同等粒径大小和体积量下具有更小的密度与粘度，同时密度与粘度随着体积量的增加增幅更小，Al2O3比CuO与基液的相容度更好。

参考文献：
[1]周陆军，宣益民，李强.纳米流体多相流动的多尺度模拟方法[J].计算物
理.2009（06）：849-855.
[2]谢华清，奚同庚.纳米流体导热系数研究[J].上海第二工业大学学报，2006，23（3）：200-204.。