纳米流体能量传递理论与应用

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1、中国科学：技术科学2014年第44卷第3期：269—279www-sclichina．comtech_sclichina,com．慧科学与技术前沿论坛能源动力与科学用能纳米流体能量传递理论与应用宣益民南京航空航天大学能源与动力工程学院，南京210016E—mail：ymxuan@nuaa．edu．cn收稿日期：2013—09—03；接受日期：2013—12—10国家自然科学基金(批准号：50436020，51225602)资助项目摘要本文围绕纳米流体的导热强化机理、流动与对流换热机制、能量传递的调控方

2、法、关键词传质特性以及应用技术等方面，讨论了粒子属性、份额、尺度、悬浮稳定性和温度对纳米流纳米流体体导热系数的影响规律，从纳米粒子改变液体结构和纳米粒子微运动两个方面阐明了纳米能量传递强化传热流体导热强化机理．介绍了纳米流体的流动与对流换热性能，提出了纳米流体流动与对流强化传质换热的两相多尺度分析方法，揭示了纳米粒子微运动及其所弓】起的流体微扰动对纳米流体对流换热的作用机制，阐述了纳米流体的强化传质特性和热质比拟分析方法．分析了外磁场作用下磁性纳米流体导热系数和对流换热的各向异性特征，揭示了磁场对磁性

3、纳米流体的结构、导热系数、流动与对流换热性能的影响规律，阐明了磁性纳米流体能量自主传递特性与调控方法．结合国内外研究进展，介绍了纳米流体在强化传热和太阳能高效利用方面的应用研究．1引言加、管道磨损等不良后果，阻碍了其应用的可行性．1995年，美国Argonne实验室的Choi教授提出了纳米热量传递过程几乎渗透到了领域和行业，包括流体(Nanofluid)的概念【4l，即在液体中添加纳米颗粒而能源、动力、冶金、石油、化工等传统工业领域以及形成的纳米粒子悬浮液，是突破传统工质低导热特性航空航天、电子、核能

4、等高技术领域，随着传热系统瓶颈的一种强化传热新方法．的热负荷曰益增大，对强化传热技术提出了新的更高纳米流体是由分散相(纳米粒子)和分散介质(基的要求．比如，高温超导体的冷却、薄膜沉积中的热控液)组成的分散体系．一般而言，悬浮的纳米粒子主制、强激光镜冷却、大功率电子元件散热及航天器热要包括金属(如Cu，A1，Ag，Au，Fe等)、氧化物(如控制等等．此时换热工质(如水、油、醇等)自身传热性A12O3，CuO，SiO2，TiO2等)以及纳米碳管、石墨烯等，能低已成为影响系统传热效能的主要瓶颈因素．基液的种

5、类有水、乙二醇、油、甲苯、丙三醇、乙醇、提高液体导热系数的一种有效方式是在液体中添氨水、R134a、R11、全氟三乙胺等．为了提高纳米粒加金属、非金属或聚合物固体粒子，可增大液体导热系子的悬浮性能，需要加入分散剂改变纳米粒子与周围数，强化其传热性能【lj．然而，以往的研究都局限于用基液、纳米粒子与纳米粒子之间的相互作用，达到较好毫米或微米级的固体粒子-3】，会带来流动阻力大幅增的悬浮粒子分散效果．常用的分散剂主要有脂肪酸、引用格式：宣益民．纳米流体能量传递理论与应用．中国科学：技术科学，2014，44

6、：269—279XuanYM．Anoverviewonnanofluidsandapplications(inChinese)SciSinTech，2014，44：269—279，doi：10．1360／092013-1236宣益民：纳米流体能量传递理论与应用PEO硫醇、山梨酸油等阳离子表面活性剂和烷基苯磺-Cu-水(2Onm)1—5酸盐、月桂酸钠、牛磺酸盐、磷酸盐等阴离子表面活性剂1·4纳米流体是一种复杂的多相系统，由于纳米粒子1．3在液体中受到范德华引力、布朗力、相间阻力、重力、浮力等力的作用，粒

7、子与粒子、粒子与液体间的相互12作用非常复杂，纳米流体呈现出既不同于纯液体又有别于传统液固两相混合物的奇异的结构特征与能量传11递特性，存在许多重要科学问题亟待研究：(1)传统的10液固两相混合物导热理论和对流换热分析方法不适用于纳米流体，必须建立新的理论方法以揭示纳米流体0000010020O30040．05西的能量传递机理．(2)根据具体的传热要求设计纳米流体，实现纳米流体能量传递过程的可控是实现纳米图1纳米流体的导热系数嘲流体功能化应用的关键．(3)纳米流体传质过程是否也能强化?(4)纳米流体如

8、何应用?因此，本文围绕纳米流体的导热强化机理、流动132与对流换热机制、能量传递的调控方法、传质特性以及应用技术等方面，系统介绍了纳米流体能量传递的128基本特性和理论分析方法，重点剖析了纳米粒子微运124动及微扰动对纳米流体能量传递过程的作用机制，介绍了纳米流体在高热流密度强化传热和太阳能等可再120生能源利用领域的应用技术．1．162纳米流体导热的强化机理丁(。C)2．1纳米流体的导热系数基于液体导热系数的瞬态双热线测量方法，测图2不同温度下Cu．水