纳米流体冲击射流换热特性实验_孙斌
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收稿日期：2016-01-11；修改稿日期：2016-03-16。 基金项目：教育部新世纪优秀人才支持计划项目（NCET-12- 0727） 。 第一作者及联系人：孙斌（1972—） ，男，博士，教授，主要研究方向 为多相流理论及应用。E-mail sunbin@nedu.edu.cn。
第8期
孙斌等：纳米流体冲击射流换热特性实验 表1
' 式中， Tw 是换热面的温度；Tw 是热紫铜块的实 测温度的平均值； T 是换热面温度与纳米流体平均 温度的温差。 努塞尔数 Nu 定义见式(5)。
Nu
hd k nf
(5)
图2
3 种纳米流体的稳定性
本实验使用的不同浓度的纳米流体热导率 knf 均 由 DRE-Ш 型热导率测定仪测量。 雷诺数定义如式(6)。
・2336・
化
工
进
展
2016 年第 35 卷
图1
3 种纳米流体的重力沉降观测照片
电容式差压变送器连接在进出口位置用来测量流体 进出口两端的压力差。压差计、流量计和热电阻所 采集的数据通过 USB-4716 数据采集器输入计算 机，进行实时检测记录。 图 4 为实验测试段结构示意图。实验段采用法 兰盘与长径螺栓进行连接固定，橡胶垫圈进行防水 密封，易于拆卸组装。实验射流距离分别设定为 3mm、6mm、9mm 进行对比实验。射流进口管外侧 加工出螺纹，通过螺纹调整射流距离，既保证了密 封性能，也易于实验参数的变更。实验段采用有机 玻璃设计，可以调整射流距离以及观察实验中流体 流动情况。
第8期
孙斌等：纳米流体冲击射流换热特性实验
・2337・
图4
测试段结构示意图
际的射流冲击换热表面温度不一致，而且这种温度 不一致性随着热流密度的增大而增大。为了减少实 验误差，应考虑紫铜块热阻的影响如式(3)、式(4)。
' Tw Tw
q k
(3) (4)
Fra Baidu bibliotek
T Tw
Tin Tout 2
1 实验系统及流程
1.1 纳米流体制备 其基本物 实验采用 Cu、 Al 和 Al2O3 纳米粒子， 性如表 1 所示，基液为去离子水，采用十二烷基苯 [13] 采用 “两步法” ， 磺酸钠 （SDBS） 作为分散剂[12]。 按照 1∶1 的比例加入纳米流体和分散剂， 此时纳米 流体稳定性最佳 [14]。配置质量分数分别为 0.1%、 0.2%、0.3%、0.4%、0.5%的 Cu-水、Al2O3-水、Al水纳米流体。 随后在超声波震荡仪中震荡 60min，
Re
nf ud nf
(6)
式中，纳米流体的密度 nf 定义如式(7)[16]。
nf (1 ) bf
(7)
由于纳米流体的体积分数难以精准测定，本实 验由纳米流体质量分数进行计算，如式(8)。
1 (1 / )( p bf )
(8)
为了得到更准确的实验结果，需要对系统进行 误差分析及不确定度评估[17]，使用仪器的参数及不 确定度见表 2，变量的不确定度见表 3。
2 实验系统
实验系统如图 3 所示，由储液箱、磁力循环泵、 预热段、 实验测试段、 冷却水箱及数据采集部分组成。 实验流程： 将制备好的纳米流体放入储液箱中， 由扬程为 30m 的磁力泵提供循环动力， 采用涡轮流 量变送器测量流体体积流量。纳米流体经预热段预 热为恒定 25℃后进入实验测试段进行换热实验。 将 4 个热电阻分别布置在射流入口处、射流出口处和 紫铜圆柱中心及二分之一半径处，从而测量流体入 口温度、流体出口温度以及紫铜圆柱的温度。两个 功率为 50W 的陶瓷加热芯对称放置在紫铜圆柱二 分之一半径处，用来提供热量。为降低测量误差， 紫铜柱体内部的陶瓷加热芯以及热电阻都涂抹导热 膏减小其传热热阻。 紫铜柱体外包裹石棉进行保温， 紫铜换热面进行镜面打磨处理。Rosemount 3051S
参数 平均颗粒尺寸/ nm 纯度/% 密度/g·cm 颜色 形状 比热容/J·kg ·K
–1 –1 –1 –1 –3
・2335・ 纳米流体热物性
Al2O3 80～100 99.9 3.8 白色 球形 1.3 30 Al 40 99.9 2.7 黑色 球形 0.88 230 Cu 40 99.9 8.9 紫褐色 球形 0.39 401
3 数据处理与不确定性分析
采用牛顿（Newton）冷却公式，流体流动的传 热系数可写为式(1)。
h q AT
(1)
流体的平均温度采用式(2)计算。
T= Tin + Tout 2
(2)
式中， Tin 是射流实验段纳米流体进口温度； Tout 射流实验段纳米流体出口温度。由于热电阻测点与 换热面具有一定距离，可能导致热电阻测温面与实
BAONGA 等[4]利用激光诱导荧光技术和图像处理 在圆形水平加热盘上进行自由液体射流冲击试验测 得的局部温度和速度曲线，通过求解逆热传导问题 建立了径向分布的局部传热系数，结果表明该喷嘴 到热交换面间距对换热影响不大，雷诺数相同的情 况下喷嘴直径的改变使得 Nu 数发生明显变化，并 且液体流速影响局部传热系数。KATTI 等[5]研究了 圆形直管喷嘴冲击喷气到光滑平整表面的局部发热 理论，研究了局部传热喷射到板间距和雷诺数的影 响。近几年，冷却射流被应用到精密元件及微小空 间散热的问题中。NAPHON 等[6]进行了关于个人计 算机中央处理器冲击射流强化传热的实验，利用小 型矩形翅片板进行喷射液体的冷却实验， 实验证明， 冷却效果确实要比常规冷却方式要好，但是需要较 高的能量消耗。GUO 等[7]使用微针喷头进行冲击射 流研究强化流动沸腾换热过程，结果表明该沸腾传 热可以通过提高增加的总面积及射流冲击速度来提 高传热系数。当喷射速度过高时，对流换热占主导 地位；当冲击速度过高时，滞流区的热传递与涡扩 大了散热面积并增加了紊流，影响微对流过程，影 响换热。 纳米流体是以一定的方式和比例在基液（水、 酒精等）中添加纳米级金属或非金属氧化物粒子， 形成的一类具有高热导率的均匀稳定的新型传热工 质[8]。纳米流体以优异的导热性与稳定性，为冲击 射流的工质提供了新的选择[9]。凌智勇等[10]对纳米 流体的黏度进行了研究；李强等[11]发现，纳米流体 的热导率通常比基液高。采用纳米流体代替常规的 流体对具有高热量输出的设备冷却有特别的效果。 本实验在一个典型的射流冷却系统中研究冲 击射流的传热特性，通过使用不同的纳米颗粒制备 的纳米流体进行实验，对不同纳米流体的热导率进 行对比，得到的一些相关结果，实验数据和纳米流 体的传热特性进行讨论， 具有较高的工程实用意义。
Experimental study on heat transfer characteristics of nanofluids impacted jet
SUN Bin，QU Yi，YANG Di
（Energy and Power Engineering Institute，Northeast Dianli University，Jilin 132012，Jilin，China）
化
・2334・
工
进
展
2016 年第 35 卷第 8 期
CHEMICAL INDUSTRY AND ENGINEERING PROGRESS
研究开发 纳米流体冲击射流换热特性实验
孙斌，曲艺，杨迪
（东北电力大学能源与动力工程学院，吉林 吉林 132012） 摘要：以纳米流体为工质对冲击射流冷却系统的综合性能进行实验，主要研究了添加纳米颗粒的纳米流体与水 在不同流速、不同射流高度等条件下冲击射流的传热效率，同时也对不同种类的纳米流体的换热效率进行了对 比。结果表明：对于添加了纳米颗粒的冲击射流冷却系统，传热效率得到显著提高，但当质量分数达到 0.5%时， 传热系数变化不明显。对于不同种类的纳米流体：Cu-水、Al2O3-水和 Al-水纳米流体，其中 Cu-水的换热效率最 高，存在一个特定的射流高度，使传热系数达到最大值。研究结果对设计制造轻型紧凑的高效换热器有实用的 工程价值。 关键词：纳米粒子；多相流；传热；冲击射流 中图分类号：TK 121 文献标志码：A 文章编号：1000–6613（2016）08–2334–08 DOI：10.16085/j.issn.1000-6613.2016.08.05
热导率/W·m ·K
得到稳定的纳米流体。 1.2 纳米流体稳定性分析 采用透射比法分别对质量分数 0.1%、0.2%、 0.3%、0.4%、0.5%的 Cu-水、Al-水、Al2O3-水纳米 流体的稳定性进行分析。 透射比法即分光光度计法， 又称浊度法，是将分散体系经过重力沉降或离心沉 降等手段处理后，吸取上层清液，在分光光度计上 测定其透过率或吸收率。一般来说，稳定分散的悬 浮液，其上层清液的透过率较低，吸收率较高[15]。 图 1 为重力沉降出来后的纳米流体，吸取上层 清液，在分光光度计中进行透射率测定，所用仪器 为 752 型分光光度计， 所用波长为 540nm， 每隔 12h 测量并记录一次数据， 重复 3～4 次， 测定结果如图 2 所示。 采用上述实验方法，实验范围内各质量分数的 Cu-水、Al-水、Al2O3-水纳米流体均具有很强的稳 定性，在较长时间内不易沉积，适于后期的实验研 究及应用。
Abstract：In this paper，comprehensive performance of impinging jet cooling system heat exchanger was experimentally studied using nanofluids. The heat transfer efficiencies were compared for nanofluids of different flow rates， jet height and types . The results revealed that heat transfer efficiency significantly increased with the introduction of nanofluids in jet，but，when the mass percentage of nanofluids exceeded of 0.5%，the heat transfer coefficient did not change significantly. For different types of nanofluids： Cu- water， Al2O3-water， Al-water nanofluids， the highest heat transfer efficiency was observed for Cu- water. In addition，there was a particular jet height，where the maximum heat transfer coefficient could be reached. The results would be practically valuable in designing and manufacturing light and efficient heat exchanger. Key words：nanoparticles；multiphase flow；heat transfer；impinging jet 换热设备是在航天、电子、化工、原子能、动 力等众多领域中广泛使用的一种通用设备，其主要 作用是实现物料之间的热量传递[1]。冲击射流是一 种极其有效的局部强化换热方法。由于冲击射流在 换热面上形成的流动边界层较薄，冲击射流的传热 系 数 比 常 规 的 对 流 传 热 系 数 高 几 倍 甚 至 一 个数 量级[2]。 以往的研究主要针对冲击射流的流速、冲击距 离、 射流角度、 喷嘴孔径等的运行参数和结构参数。 BARDBURY[3] 对单孔自由射流的流动机理进行了 探索，研究了单孔自由射流典型的速度分布形式及 轴向速度的衰减规律，实验结果表明，在单孔自由 射流的中心区，流体的速度高、波动大，而且湍流 度非常高，因此具有极大的强化换热潜力。
第8期
孙斌等：纳米流体冲击射流换热特性实验 表1
' 式中， Tw 是换热面的温度；Tw 是热紫铜块的实 测温度的平均值； T 是换热面温度与纳米流体平均 温度的温差。 努塞尔数 Nu 定义见式(5)。
Nu
hd k nf
(5)
图2
3 种纳米流体的稳定性
本实验使用的不同浓度的纳米流体热导率 knf 均 由 DRE-Ш 型热导率测定仪测量。 雷诺数定义如式(6)。
・2336・
化
工
进
展
2016 年第 35 卷
图1
3 种纳米流体的重力沉降观测照片
电容式差压变送器连接在进出口位置用来测量流体 进出口两端的压力差。压差计、流量计和热电阻所 采集的数据通过 USB-4716 数据采集器输入计算 机，进行实时检测记录。 图 4 为实验测试段结构示意图。实验段采用法 兰盘与长径螺栓进行连接固定，橡胶垫圈进行防水 密封，易于拆卸组装。实验射流距离分别设定为 3mm、6mm、9mm 进行对比实验。射流进口管外侧 加工出螺纹，通过螺纹调整射流距离，既保证了密 封性能，也易于实验参数的变更。实验段采用有机 玻璃设计，可以调整射流距离以及观察实验中流体 流动情况。
第8期
孙斌等：纳米流体冲击射流换热特性实验
・2337・
图4
测试段结构示意图
际的射流冲击换热表面温度不一致，而且这种温度 不一致性随着热流密度的增大而增大。为了减少实 验误差，应考虑紫铜块热阻的影响如式(3)、式(4)。
' Tw Tw
q k
(3) (4)
Fra Baidu bibliotek
T Tw
Tin Tout 2
1 实验系统及流程
1.1 纳米流体制备 其基本物 实验采用 Cu、 Al 和 Al2O3 纳米粒子， 性如表 1 所示，基液为去离子水，采用十二烷基苯 [13] 采用 “两步法” ， 磺酸钠 （SDBS） 作为分散剂[12]。 按照 1∶1 的比例加入纳米流体和分散剂， 此时纳米 流体稳定性最佳 [14]。配置质量分数分别为 0.1%、 0.2%、0.3%、0.4%、0.5%的 Cu-水、Al2O3-水、Al水纳米流体。 随后在超声波震荡仪中震荡 60min，
Re
nf ud nf
(6)
式中，纳米流体的密度 nf 定义如式(7)[16]。
nf (1 ) bf
(7)
由于纳米流体的体积分数难以精准测定，本实 验由纳米流体质量分数进行计算，如式(8)。
1 (1 / )( p bf )
(8)
为了得到更准确的实验结果，需要对系统进行 误差分析及不确定度评估[17]，使用仪器的参数及不 确定度见表 2，变量的不确定度见表 3。
2 实验系统
实验系统如图 3 所示，由储液箱、磁力循环泵、 预热段、 实验测试段、 冷却水箱及数据采集部分组成。 实验流程： 将制备好的纳米流体放入储液箱中， 由扬程为 30m 的磁力泵提供循环动力， 采用涡轮流 量变送器测量流体体积流量。纳米流体经预热段预 热为恒定 25℃后进入实验测试段进行换热实验。 将 4 个热电阻分别布置在射流入口处、射流出口处和 紫铜圆柱中心及二分之一半径处，从而测量流体入 口温度、流体出口温度以及紫铜圆柱的温度。两个 功率为 50W 的陶瓷加热芯对称放置在紫铜圆柱二 分之一半径处，用来提供热量。为降低测量误差， 紫铜柱体内部的陶瓷加热芯以及热电阻都涂抹导热 膏减小其传热热阻。 紫铜柱体外包裹石棉进行保温， 紫铜换热面进行镜面打磨处理。Rosemount 3051S
参数 平均颗粒尺寸/ nm 纯度/% 密度/g·cm 颜色 形状 比热容/J·kg ·K
–1 –1 –1 –1 –3
・2335・ 纳米流体热物性
Al2O3 80～100 99.9 3.8 白色 球形 1.3 30 Al 40 99.9 2.7 黑色 球形 0.88 230 Cu 40 99.9 8.9 紫褐色 球形 0.39 401
3 数据处理与不确定性分析
采用牛顿（Newton）冷却公式，流体流动的传 热系数可写为式(1)。
h q AT
(1)
流体的平均温度采用式(2)计算。
T= Tin + Tout 2
(2)
式中， Tin 是射流实验段纳米流体进口温度； Tout 射流实验段纳米流体出口温度。由于热电阻测点与 换热面具有一定距离，可能导致热电阻测温面与实
BAONGA 等[4]利用激光诱导荧光技术和图像处理 在圆形水平加热盘上进行自由液体射流冲击试验测 得的局部温度和速度曲线，通过求解逆热传导问题 建立了径向分布的局部传热系数，结果表明该喷嘴 到热交换面间距对换热影响不大，雷诺数相同的情 况下喷嘴直径的改变使得 Nu 数发生明显变化，并 且液体流速影响局部传热系数。KATTI 等[5]研究了 圆形直管喷嘴冲击喷气到光滑平整表面的局部发热 理论，研究了局部传热喷射到板间距和雷诺数的影 响。近几年，冷却射流被应用到精密元件及微小空 间散热的问题中。NAPHON 等[6]进行了关于个人计 算机中央处理器冲击射流强化传热的实验，利用小 型矩形翅片板进行喷射液体的冷却实验， 实验证明， 冷却效果确实要比常规冷却方式要好，但是需要较 高的能量消耗。GUO 等[7]使用微针喷头进行冲击射 流研究强化流动沸腾换热过程，结果表明该沸腾传 热可以通过提高增加的总面积及射流冲击速度来提 高传热系数。当喷射速度过高时，对流换热占主导 地位；当冲击速度过高时，滞流区的热传递与涡扩 大了散热面积并增加了紊流，影响微对流过程，影 响换热。 纳米流体是以一定的方式和比例在基液（水、 酒精等）中添加纳米级金属或非金属氧化物粒子， 形成的一类具有高热导率的均匀稳定的新型传热工 质[8]。纳米流体以优异的导热性与稳定性，为冲击 射流的工质提供了新的选择[9]。凌智勇等[10]对纳米 流体的黏度进行了研究；李强等[11]发现，纳米流体 的热导率通常比基液高。采用纳米流体代替常规的 流体对具有高热量输出的设备冷却有特别的效果。 本实验在一个典型的射流冷却系统中研究冲 击射流的传热特性，通过使用不同的纳米颗粒制备 的纳米流体进行实验，对不同纳米流体的热导率进 行对比，得到的一些相关结果，实验数据和纳米流 体的传热特性进行讨论， 具有较高的工程实用意义。
Experimental study on heat transfer characteristics of nanofluids impacted jet
SUN Bin，QU Yi，YANG Di
（Energy and Power Engineering Institute，Northeast Dianli University，Jilin 132012，Jilin，China）
化
・2334・
工
进
展
2016 年第 35 卷第 8 期
CHEMICAL INDUSTRY AND ENGINEERING PROGRESS
研究开发 纳米流体冲击射流换热特性实验
孙斌，曲艺，杨迪
（东北电力大学能源与动力工程学院，吉林 吉林 132012） 摘要：以纳米流体为工质对冲击射流冷却系统的综合性能进行实验，主要研究了添加纳米颗粒的纳米流体与水 在不同流速、不同射流高度等条件下冲击射流的传热效率，同时也对不同种类的纳米流体的换热效率进行了对 比。结果表明：对于添加了纳米颗粒的冲击射流冷却系统，传热效率得到显著提高，但当质量分数达到 0.5%时， 传热系数变化不明显。对于不同种类的纳米流体：Cu-水、Al2O3-水和 Al-水纳米流体，其中 Cu-水的换热效率最 高，存在一个特定的射流高度，使传热系数达到最大值。研究结果对设计制造轻型紧凑的高效换热器有实用的 工程价值。 关键词：纳米粒子；多相流；传热；冲击射流 中图分类号：TK 121 文献标志码：A 文章编号：1000–6613（2016）08–2334–08 DOI：10.16085/j.issn.1000-6613.2016.08.05
热导率/W·m ·K
得到稳定的纳米流体。 1.2 纳米流体稳定性分析 采用透射比法分别对质量分数 0.1%、0.2%、 0.3%、0.4%、0.5%的 Cu-水、Al-水、Al2O3-水纳米 流体的稳定性进行分析。 透射比法即分光光度计法， 又称浊度法，是将分散体系经过重力沉降或离心沉 降等手段处理后，吸取上层清液，在分光光度计上 测定其透过率或吸收率。一般来说，稳定分散的悬 浮液，其上层清液的透过率较低，吸收率较高[15]。 图 1 为重力沉降出来后的纳米流体，吸取上层 清液，在分光光度计中进行透射率测定，所用仪器 为 752 型分光光度计， 所用波长为 540nm， 每隔 12h 测量并记录一次数据， 重复 3～4 次， 测定结果如图 2 所示。 采用上述实验方法，实验范围内各质量分数的 Cu-水、Al-水、Al2O3-水纳米流体均具有很强的稳 定性，在较长时间内不易沉积，适于后期的实验研 究及应用。
Abstract：In this paper，comprehensive performance of impinging jet cooling system heat exchanger was experimentally studied using nanofluids. The heat transfer efficiencies were compared for nanofluids of different flow rates， jet height and types . The results revealed that heat transfer efficiency significantly increased with the introduction of nanofluids in jet，but，when the mass percentage of nanofluids exceeded of 0.5%，the heat transfer coefficient did not change significantly. For different types of nanofluids： Cu- water， Al2O3-water， Al-water nanofluids， the highest heat transfer efficiency was observed for Cu- water. In addition，there was a particular jet height，where the maximum heat transfer coefficient could be reached. The results would be practically valuable in designing and manufacturing light and efficient heat exchanger. Key words：nanoparticles；multiphase flow；heat transfer；impinging jet 换热设备是在航天、电子、化工、原子能、动 力等众多领域中广泛使用的一种通用设备，其主要 作用是实现物料之间的热量传递[1]。冲击射流是一 种极其有效的局部强化换热方法。由于冲击射流在 换热面上形成的流动边界层较薄，冲击射流的传热 系 数 比 常 规 的 对 流 传 热 系 数 高 几 倍 甚 至 一 个数 量级[2]。 以往的研究主要针对冲击射流的流速、冲击距 离、 射流角度、 喷嘴孔径等的运行参数和结构参数。 BARDBURY[3] 对单孔自由射流的流动机理进行了 探索，研究了单孔自由射流典型的速度分布形式及 轴向速度的衰减规律，实验结果表明，在单孔自由 射流的中心区，流体的速度高、波动大，而且湍流 度非常高，因此具有极大的强化换热潜力。