纳米流体导热机理研究分析

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第30卷第4期沈阳航空航天大学学报Vol·30No·4兰Q!!±!旦坐婴型些墅竺竺鬯竺型竺竺些型兰—————』些兰兰：坚文章编号：2095—1248(2013)04—0007—05纳米流体导热机理研究分析赵国昌8，曹磊3，宋丽萍6，路天栋4(沈阳航空航天大学a．航空航天工程学部(院)；b．高等教育研究所，沈阳110136)摘要：纳米流体是一种新兴的具有高效传热性能的流固两相工质，在流体中加入纳米颗粒不仅显著提高了流固两相工质的导热系数，增强其传热性能，也解决传统的大颗粒两相工质稳定性差、易堵塞的问题，在强化传热领域有着广阔的应用前景。介绍纳米流体研究产生的理论和实验背景，对纳米流体导热机理的研究进行总结，探讨目前研究中存在的问题和未来的研究发展方向。关键词：纳米流体；导热；体积分数；布朗运动；传热中图分类号：TKl24文献标志码：Adoi：10．3969／j．issn．2095—1248．2013．04．002AnalysisofresearchonheatconductionmechanismsofnanofluidsZHAOGuo—chan98，CAOLei8，SONGLi．pin96，LUTian—don94(a．FacultyofAerospaceEngineering；b．InstituteofHighEducation，ShenyangAerospaceUniversity，Shenyang110136)Abstract：Nanofluidsareanewkindofworkingfluidswithanomalouslyeffectiveheattransferperform-ance．NanoparticlesnotonlysignificantlyincreasethethermalconductivityoftheworkingmediumSOastoimprovetheheattransfercapacity，butalsoovercomethepoorstabilityandcloggingproblemoftraditionaltwo—phasemediumloadedwithlargeparticles．Therefore，nanofluidsCanbewidelyappliedtotheheattrans—ferenhancementfield．rnlispaperintroducestheexperimentalandtheoreticalbackgroundsofresearchonnanofluidsandreviewsheatconductionmechanismsofnanofluidsproposedinexistingliterature．Somere—mainingproblemsunderscrutinyandpossibledevelopmentsofthefutureresearchonnanofluidsarealsodis—cussed．Keywords：nanofluids；heatconduction；volumefraction；Brownianmotion；heattransfer将纳米粒子分散于流体中得到的流固混合体被称为纳米流体，Choi在1995年首次提出纳米流体的概念⋯，指出纳米流体比传统传热工质的导热系数高，对强化传热有重要意义，并对含铜颗粒的纳米流体进行了理论研究，得出同样换热负荷下使用纳米流体可以显著地减少泵功的结论。在液体中添加固体微粒以提高导热系数最早可以追溯到19世纪的Maxwell等提出的有效介质理论¨。，此后又有许多人进行了完善。由于技术水平限制，那时添加的颗粒粒径较大，容易沉降，会堵塞和磨损流道，这些缺点限制了工业的推广应用¨o。纳米流体的固体粒子尺寸在1am到100nm之间，克服了上述大颗粒的缺点，流固混合体的传热性能也有更明显的提高。纳米流体的概念一经提出就吸引了许多研究人员的关注，相继开展了一系列相关实验和理论研究。值得一提的是，文献[4]在1993年对在水中添加三氧化二铝和二氧化钛粒子的悬浮液进行实验研究，结果表明流固混合体的导热系数明显提高，但其粘度并未明显增大。由于纳米流体的特殊构成，在某些方面已不能用经典的传热学理论解释其导热机理，因此许多学者从不同角度对纳米流体相对于基础流体热物性改变的机理进行了分析和实验研究。由于影收稿日期：2013—03—18基金项目：辽宁省攀登学者基金资助项目(项目编号：20132015)作者简介：赵国昌(1964一)，男，北京人，教授，博士生导师，主要研究方向：流动与传热、热管理，E．mail：shd923@gmail．com。 8沈阳航空航天大学学报第30卷响纳米流体导热的因素十分复杂，不同研究者的其中：m为纳米粒子的质量，t为时间，x为纳米颗实验结果不尽相同，难以对已有的实验结果进行粒的位移，F(f)为服从高斯分布的随机布朗力，对比，至今仍未形成系统的纳米流体的理论体系。F。为作用在纳米颗粒上的体积力，式(i)是布朗据统计，目前全球有30多个实验室使用导热系数运动理论的动力学基础。测量方法对纳米流体进行实验研究，用瞬态热线从布朗运动出发，运用Green—Kubo理论求法得到的实验结果已经得到认可‘5|。本文旨在得‘8。：对目前已有的纳米流体理论进行回顾和总结，为18+Rk。T以后相关研究工作提供借鉴和参考。tCBr一3q'r2p蠢1¨，n／‘f1纳米流体导热机理纳米流体研究开展了近20年，对其导热机理的解释主要有以下几种：(1)粒子布朗运动与微对流；(2)纳米颗粒团聚和逾渗结构；(3)纳米颗粒和液体间的液体层；(4)弹道输运和非局部效应；(5)热泳；(6)近场辐射。许多学者提出了基于以上一种或几种机理混合的纳米流体导热模型。需要指出的是，许多研究者提出的模型都能与他们选用的实验数据相吻合，但单纯的数据吻合并不足以说明其对纳米流体导热机理的解释成立，有的解释甚至受到质疑。1．1布朗运动和微对流布朗运动-61是固体微粒悬浮在液体中受到周围液体分子不断碰撞而产生的无规则运动，Langevin【川把液体对微粒的作用力分为两部分，一部分是流体对微粒的粘滞阻力，另一部分是随机布朗力，图1为纳米颗粒与液体分子运动示意图、液体图1纳米颗粒与液体分子运动不葸图随机布朗力是流体分子热运动施加在纳米粒子上的一种涨落不定的力，其时均值为零。纳米粒子受到的粘滞阻力来自液体分子对粒子的碰撞，阻力的方向与粒子速度相反，大小与粒子速度成正比，即粘滞阻力，t=一扣=一孝豢，其中孝是阻力系数，u是粒子速度。根据牛顿第二定律得到Langevin方程：小ddf22_zx—手害仃㈤=F。(1)式中，足。。是考虑了布朗运动的导热系数，咖是纳米粒子体积分数，k。是波尔兹曼常数，R是纳米粒子与基液间的界面热阻，P。是纳米粒子密度，d，是纳米粒子直径，丁是流体温度，7-是纳米粒子布朗运动和无规则热过程的总的松弛时间常数，k，是基液的导热系数。结合经典的Maxwell模型k。ffkp+2kf+2咖(kp—kf)⋯kfk。+2kf一咖(k。一kf)、。7得到纳米流体的有效导热系数可表达为：等=学黑+丽18+RkBTkk2kk下㈩fp+f一咖(p—f)。3盯2JDD《。⋯7式(3)和式(4)中k为导热系数，下标P和，分别表示纳米粒子和基液，keff表示纳米流体有效导热系数。等式右边第一项是由于加入纳米粒子对流体结构的改变所引起的导热强化，第二项是由于纳米粒子微运动引起的导热强化。根据文献[8]的界面热阻，纳米流体的导热系数计算值与实验值一致，认为纳米粒子微运动是引起导热系数提高的另一个重要原因。但是文献[5]认为，根据分子运动理论，晶体导热系数的表达式为：k=÷fC(60)v(∞)A(∞)d∞～÷CvA(5)式中：c是单位体积比热，v是声子的群速度，以是声子平均自由程，∞是晶格振动频率，尽管此公式不太适用于纳米流体，但仍可认为基于纳米颗粒布朗运动的纳米流体导热系数与下式的足。，成比例：k=÷伽=了1乙V2丁=而ksC瓦T(6)同样也对基液用上面公式进行处理得到：kB，(C／d)pkf一(C／d)，(7)由于基液的分子直径通常比纳米粒子小两个数量级，而且基液的比热一般比纳米粒子的比热大，所以布朗运动对于导热系数的影响很小。另有研究者也对布朗运动在传热过程中的作用进行研究，对纳米粒子的运动时间和热扩散时间进行 第4期赵国昌，等：纳米流体导热机理研究分析11的纳米流体反而有很好的导热性能，但其粘性较大，如何实现传热性能和流动的最优化需要进一步研究。另外研究工作者也期待新的理论认识和实验技术的出现，以解决现有理论局限性和实验结果难以定量化和精确化的困难。参考文献(References)：『1]ChoiSUS．EastmanJA．Enhancingthermalconduc—tivityoffuidswithnanoparticlesAI．DevelopmentsandAPPlicationsofNon．NewtoniallFlowsC1．SanFrancisco：ASM匣Press．1995．2{JAMaxwell．TreariseonelectricityandmagnetismM1．NewYork：Dover．1954．[3]宣益民，李强．纳米流体强化传热研究[J]．工程热物理学报，2000，21(4)：466—470．[4]MasudaH，EbataA，TeramaeK，etal，Alternationofthermalconductivityandviscosityofliquidbydisper-singultra—fineparticles[J]．NetsuBussei(Japan)，1993(4)：227—233．[5]WangJJ，ZhengRT，GaoJW，eta1．Heatconductionmechanismsinnanofluidsandsuspensions『J]．NanoToday，2012(7)：124—136．6『EinsteinA．InvestigationsonthetheoryoftheBrown—ianmovementIMf．NewYork：Dover，1956．7】ProbsteinRF．Physicochemicalhydrodynamics：anin—troductionM1．NewYork：JohnWiley&Sons．1994．[8]宣益民，李强．纳米流体能量传递理论与应用[M]．北京：科学出版社，2010．9KeblinskiP。CahillDG．CommentonmodelforheatconductioninnanofluidsJ1．PhysicalReviewLetters．2005：95．10JangSP，ChoiSUS．RoleofBrownianmotionintIleenhancedthermalconductivityofnanofluids『J]．Ap—pliedPhysicsLetters，2004(84)：4316．11『PrasherR，BhattacharyaP，PhelanPE．Thermalcon—ducrivityofnanoscalecolloidalsolutions(nanofluids)[J]．PhysicalReviewLetters，2005(94)：025901—025904．[12]宣益民，胡卫峰，李强．纳米流体的聚集结构和导热系数模拟[J]．工程热物理学报，2002，23(2)：206—208．[13]王补宣，盛文彦．纳米流体导热系数的团簇宏观分析模型[J]．自然科学进展，2007，17(7)：984—988．[14]WangB，ZhouL，PengX．Afractalmodelforpredic-tingtheeffectivethermalconductivityofliquidwithsuspensionofnanoparticlesJ]．InternationalJournalofHeatandMassTransfer，2003(46)：2665—2672．[15]PrasherR，EvansW，MeakinP，eta1．Effectofag．gregationonthermalconductionincolloidalnanofluids[J]．AppliedPhysicsLetters，2006(89)：143119．[16]KeblinskiP，PhillpotSR，ChoiSUS，eta1．Mecha-nismsofheatflowinsuspensionsofnano—sizedpatti．cles『J1．InternationalJournalofHeatTransfer，2002(45)：855—863．『17]YuCJ，RichterAG，DattaA，eta1．Molecularlaye—ringinaliquidonasolidsubstrate：anX—rayreflectiv一畸study[J]．PhysicsB，2000(283)：27—31．『18]YuW，ChoiSUS．Theroleofinterfaciallayersintheenhancedthermalconductivityofnanofluids：Areno—vatedMaxwellmodelfJ]．JournalofNanoparticleRe—search，2003(5)：167—171．『19]YuW，ChoiSUS．neroleofinterfacial】ayersintheenhancedthermalconductivityofnanofluids：Arenova-tedHamilton．CrossermodellJI。JournalofNanoparti—cleResearch，2004(6)：355—361．[20]XieH，FujiiM，ZhangX．Effectofinterfacialnanolay—erontheeffectivethermalconductivityofnanoparti—cle．fuidmixture『J]．InternationalJournalofHeatandMassTransfer，2005．48(14)：2926—2932．【2lXueL，KeblinskiP，PhillpotS，eta1．Effectofliquidlayeringattheliquid—solidinterfaceonthermaltrans—port『JI．InternationalJournalofHeatandMassTrans—fer，2004(47)：4277—4284．[22]侯泉文，曹炳阳，过增元．碳纳米管的热导率：从弹道到扩散输运[J]．物理学报，2009，58(11)：7809—7814．23ChenG．Nanoscaleenergytransportandconversionaparalleltreatmentofelectrons，molecules，phononsandphotons[M]．NewYork：OxfordUniversityPress，2005．24NieC，Mar|owWH，HassanYA．Discussionofpro—posedmechanismsofthermalconductivityenhance—meritinnanofluids『J1．InternationalJournalofHeatandMassTransfer．2008(51)：1342—1348．25ZahrnatkeshI．OntheimportanceofthermophoresisandBrowniandiflusionforthedepositionofmicro—andnanoparticlesJI．InternationalCommunicationsinHeatandMassTransfer，2008(35)：369—375，[26]KooJ，KleinstreuerC．Impactanalysisofnanoparticlemotionmechanismsonthethermalconductivityof‘nanofluidsJI．InternationalCornmunicationsinHeatandMassTranfer．2005(32)：111l一1118．[27]DominguesG，VolzS，JoulainK。eta1．Heattransferbetweentwonanoparticlesthroughnearfieldinterac—tion[J]．PhysicalReviewLetters，2005(94)：085901—085904．28KeblinskP，PrasherR，EapenJ．Thermalconductanceofnanofluids：isthecontroversyover?『J1．JournalofNanoparticleReseach，2008(10)：1089—1097．【29AbdaIlahPB．Heattrailsferthroughnear．fieldinterac—tionsinnanofluids[J『．ApplliedPhysicsLetters，2006(89)：113—117．[30]ShenS，NarayanaswamyA，ChenG．Surfacephononpolaritonsmediatedenergytransferbetweennanoscalegaps[J]．NanoLetters，2009(9)：2909—2913．(责任编辑：吴萍英文审校：宋晓英)