纳米流体强化传热研究分析

雷诺数范围内的管内对流换热系数。从图 ３ 中可以
看出 ６ 种体积份额的石墨粒子后的纳米流体的努塞
尔数 Ｎｕ 都比相同雷诺数 Ｒｅ 条件下水的努塞尔 数
Ｎｕ 大， 随石墨固相含量的增加， 纳米流体的努塞尔
数 Ｎｕ 近似线性增大， 当石墨纳米颗粒的体积份额
依次从 ０．８７％增加到 ２．０８％， 纳米流体的 Ｎｕ 增加量
研究与探讨
１．３．２ 对流换热性能实验研究
在供热或制冷的流体介质中加入纳米颗粒，
可以优化流体热物性， 强化颗粒与流体的混合脉动
和湍流， 从而使热量传递得到加强， 换热性能显著
提升。
１．３．２．１ 实验原理
假定实验为无相变强制对流层流状态。
根据牛顿冷却公式：
ｑ＝ｈ（ｔｗ－ ｔｆ）
（９）
实验时将整个系统稳定在一个热平衡状态下，
第
Ｆｅ３Ｏ４／水纳米流体的实验结果［１６］ 见图 ４。从图 ４
１
期
中可以看出 ６ 种体积份额的 Ｆｅ３Ｏ４／水纳米流体的努 ·２７·
研究与探讨
塞尔数比相同雷诺数下水的努塞尔数高， Ｆｅ３Ｏ４ 纳米 粒子的体积份额为 ０．３％时增加对流换热系数约为 ６０％， 当体积份额 增 加 到 １．０％时 ， 对 流 换 热 系 数 增 加接近 ９０％， 这些都说明 Ｆｅ３Ｏ４ 纳米粒子的加入增 强了对流换热强度， 有利于强化传热， 且体积份额的 增加也有利于强化传热。
２
即以一定的方式和比例在液体中添加纳米级金属或
０ ０
８
金属氧化物粒子， 形成一类新的传热冷却工质。Ｃｈｏｉ
年 第
运用传统的液固两相混合物导热系数关联式， 预测
１
期
了纳米流体的导热系数， 计算结果表明在液体中添 ·２５·
研究与探讨
加纳米粒子， 可以提高悬浮液的导热系数。通过比 较纳米流体与传统纯液体工质传热性能的差异， Ｃｈｏｉ 指出 ， 在 同 样 传 热 负 荷 下 ， 如 果 增 加 ２ 倍 传 热 效率， 使用纯液体工质的热交换设备需耗费 １０ 倍的 泵功率， 如果使用增大了 ３ 倍导热系数的纳米流体 作为换热工质， 则几乎不需要增加泵功率， 就可以使 热交换设备的传热效率提高 ２ 倍。因此 Ｃｈｏｉ 认为使 用纳米流体作为换热工质， 可显著提高热交换系统 的传热性能， 节约泵功率， 减小热交换设备的尺寸和 重量， 降低运行成本， 具有许多潜在的优势。目前， 国外在纳米流体强化传热领域的研究已完成了纳米 流 体 制 备 、纳 米 流 体 输 运 参 数 测 定 和 纳 米 流 体 传 热 性能测试， 正在开展纳米流体强化传热机理以及应 用基础的研究工作。国内的一些高校和科研机构也 在强化传热理论和技术方面做了大量的研究工作， 并在传统的强化传热技术领域取得了令人瞩目的 成果。
结合了颗粒形状， 改变了液体的速度分布， 增加了液
体对颗粒的作用力。
由 Ｅｉｎｓｔｅｉｎ［３］理论推导得到， 悬浮液在低固相体
积含量 Φ条件下（Φ≤０．０２）的粘度 η与液体粘度 η０ 能 源 的关系可表示为：
研 究
η＝η０（１＋２．５Φ）
（１）
与
上式可以看出 Ｅｉｎｓｔｅｉｎ 模型求得的悬浮液的粘
研究与探讨
纳米流体强化传热研究分析
顾雪婷， 李茂德 （同济大学机械工程学院， 上海 ２０１８０４）
摘要： 文中综述了目前国内外对于纳米流体强化传热技术的研究情况， 分析了纳米流体的 强化传热机理及添加纳米粒子后对液体的物性参数— ——粘度、比热、密度、流体流动的影响； 说 明了石墨／水纳米流体及 Ｆｅ３Ｏ４／水纳米流体导热系数和对流换热系数测量实验的原理及结果， 并 对结果进行了分析， 实验结果表明纳米流体强化了传热。
图 ２ 为固相含量不同的 Ｆｅ３Ｏ４／水纳米流体的导 热系数（测试温度为 ２０ ℃）［１６］。由图可见， 随着 Ｆｅ３Ｏ４ 固相体积含量的增加， 悬浮液的导热系数呈线性增 加。当纳米 Ｆｅ３Ｏ４ 的体积分数为 １．０％时， 与蒸馏水相 比， 纳米流体的导热系数提高 ４８％。
图 ２ 固相含量不同的 Ｆｅ３Ｏ４／水纳米流体的导热系数
撞和相互作用， 加强了流体的混合脉动和湍流， 使介
质内横向温度梯度减小， 加大了流道表面和介质内
的温度梯度， 加强了介质内的能量交换。
１．３ 纳米流体导热及对流换热实验研究
本文主要介绍石墨／水纳米流体和 Ｆｅ３Ｏ４／水纳米 流体的导热以及对流换热实验研究。
１．３．１ 导热系数实验研究
由于纳米颗粒的小尺寸效应和高比表面效应
保持稳定的热交换不变， 即流体温度升高和管壁温
度恒定， 热流密度 ｑ 保持不变， 依据（９）式， 可计算出
对流换热系数 ｈ。
１．３．２．２ 实验结果与分析
石墨／水纳米流体的实验结果［１７］见图 ３。分别测
量纳米粒子体积份额为 ０．８７％、１．０４％、１．１５％、１．２１％、
１．７５％和 ２．０８％的石墨／水纳米流体在 ３ ５００～１０ ０００
ρ＝（１－ Φ）ρ０＋Φρｓ
（２）
１．１．３ 比热
同样应用密度计算中的假设条件， 比热用加和
原理计算， 表达式为：
ｃｐ＝
（１－ Φ）ρ０ｃｐ０＋Φρｓｃｐｓ （１－ Φ）ρ０＋Φρｓ
（３）
１．２ 纳米流体流动的影响
纳米流体中的纳米颗粒在流体内无规则运动，
从 而 增 加 了 悬 浮 液 纳 米 颗 粒 、流 体 以 及 流 道 管 壁 碰
随着科学技术的发展和能源问题的日益突出， 热 许多。自从 Ｍａｘｗｅｌｌ 理论［１］发表以来， 许多学者对液
交换系统的传热负荷和热强度日益增大， 这就对强化 体中添加固体粒子以提高其导热系数进行了大量的
传热技术提出了更高的要求。而传统的纯液体换热工 理论和实验研究， 并取得了一些成果， 但这些研究都
图 １ 为固相含量不同的石墨／水纳米流体的导
热系数［１６］。随着石墨颗粒固相量的增加， 纳米流体
的导热系数近似线性增大， 由图可见， 当石墨体积分
数为 ２．０％时， 纳米流体导热系数提高 ３０％； 当体积
分数为 １．０％时， 纳米流体导热系数提高 １２％。
图 １ 固相含量不同的石墨／水纳米流体的导热系数
利 用
度只与固相体积含量有关， 并且呈线性关系。
１．１．２ 密度
２
０ ０
在实际应用中， 纳米流体的热物性值应该由实
８
年 第
验测定。文献［ ４］ 中假设了纳米流体的热物性满足
１
期 现有的理论关系式， 且物质均为常物性， 则在这两个
·２６· 假设条件下， 纳米流体的密度计算式为：
顾雪婷等， 纳米流体强化传热研究分析
１ 纳米流体强化传热机理及实验研究
１．１ 纳米流体物理性质的影响变化
所谓物理性质是指动力粘度、比热、密度等。由
于纳米颗粒加入到液体中改变了液体内部结构， 所
以纳米流体较之纯液体的热物性参数都发生变化。
１．１．１ 粘度
当纳米颗粒加入到液体后， 在颗粒与液面界面
上颗粒和液体以相同的速度移动， 这种无滑移边界
等， 纳米流体的导热系数不能直接应用传统的两相
混合导热系数理论公式计算， 而只能通过实验进行
测量［５～７］。就液体而言， 导热系数测量方法主要有准
稳态平板［８］ 、热针法［９～１０］ 、瞬态热丝法［１１～１５］ 等。其中瞬
态热丝法能够克服对流引起的误差， 测量结果更为
可靠准确， 所以一般均采用这种方法。
关键词： 纳米流体； 强化传热； 物性参数 Ａｂｓｔｒ ａｃｔ： Ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｇｅｎｅｒａｌｉｚｅｄ ｔｈｅ ａｃｈｉｅｖｅｍｅｎｔｓ ｏｆ ｄｏｍｅｓｔｉｃ ａｎｄ ａｂｒｏａｄ ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｉｏｎ ａｂｏｕｔ ｈｅａｔ ｔｒａｎｓｆｅｒ ｅｎｈａｎｃｅｍｅｎｔ ｏｆ ｎａｎｏｆｌｕｉｄｓ．Ｔｈｅ ｈｅａｔ ｔｒａｎｓｆｅｒ ｅｎｈａｎｃｅｍｅｎｔ ｍｅｃｈａｎｉｓｍ ｏｆ ｎａｎｏｆｌｕｉｄｓ ｗａｓ ａｎａｌｙｚｅｄ ｆｒｏｍ ｔｈｅ ｐｈｙｓｉｃａｌ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ａｎｄ ｆｌｏｗｉｎｇ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ．Ｔｈｅ ｍａｉｎ ｉｎｆｌｕｅｎｃｉｎｇ ｆａｃｔｏｒｓ ｏｆ ｎａｎｏｆｌｕｉｄｓ ｗｅｒｅ ｐａｒｔｉｃｕｌａｒｌｙ ｄｅｓｃｒｉｂｅｄ．Ｔｈｅ ｔｈｅｒｍａｌ ｃｏｎｄｕｃｔｉｖｉｔｙ ａｎｄ ｔｈｅ ｃｏｎｖｅｃｔｉｖｅ ｈｅａｔ ｔｒａｎｓｆｅｒ ｃｏ－ ｅｆｆｉｃｉｅｎｔ ｏｆ Ｇｒａｐｈｉｔｅ／ｗａｔｅｒ ｎａｎｏｆｌｕｉｄｓ ａｎｄ Ｆｅ３Ｏ４／ｗａｔｅｒ ｎａｎｏｆｌｕｉｄｓ ａｒｅ ａｌｓｏ ｄｉｓｃｕｓｓｅｄ． Ｋｅｙ ｗｏｒ ｄｓ： ｎａｎｏｆｌｕｉｄ； ｈｅａｔ ｔｒａｎｓｆｅｒ ｅｎｈａｎｃｅｍｅｎｔ； ｐｈｙｓｉｃａｌ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ 中图分类号： ＴＫ１２４ 文献标志码： Ａ 文章编号： １００１－ ５５２３（２００８）０１－ ００２５－ ０４
ｑ ４πｋ
Ｅｌ（－
ｒ２ ４ａｔ
）
（４）
式中， ｋ 为液体的导热系数， Ｅｌ（ｘ）为指数积分， 由下式 求得：
０
# Ｅｌ（ｘ）＝
ｅ－ｙ ｄｙ＝－ γ－ ｌｎｘ＋ｏ（ｘ２） ｙ
（５）
ＸHale Waihona Puke 式中， γ是欧拉常数（其值为 ０．５７７ ２１５ ７…）， 当线源
的半径为 ｒ０， 假定 ｒ＝ｒ０ 处， 线源表面与液体具有相同
图 ４ 不同体积含量的 Ｆｅ３Ｏ４／水纳米流体的 Ｎｕ 与 Ｒｅ 的关系图
２ 结语
近年来各国研究小组对纳米流体的研究都表 明， 在液体中添加纳米粒子， 可显著增加液体的导热 系数及对流换热系数， 由于纳米材料的小尺寸效应， 不会引起大的阻力损失， 也不会产生磨损、堵塞等不 良结果， 由此不难预料， 在未来的研究中， 纳米流体 强化传热技术将越来越广泛的应用于热交换系统 中， 从而大大提高系统的传热性能。