牛廣清， 凌智勇， 張忠強(qiáng)， 黃躍濤

(江蘇大學(xué) 微納米科學(xué)技術(shù)研究中心，江蘇 鎮(zhèn)江 212013)

溫度對(duì)Al2O3-H2O納米流體粘度特性影響研究*

牛廣清， 凌智勇， 張忠強(qiáng)， 黃躍濤

(江蘇大學(xué) 微納米科學(xué)技術(shù)研究中心，江蘇 鎮(zhèn)江 212013)

采用“兩步法”制備了質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0.1 %,0.5 %,1 %的Al2O3-H2O納米流體，研究了溫度在25～50 ℃范圍內(nèi)納米流體粘度和相對(duì)粘度的變化規(guī)律,發(fā)現(xiàn)粘度隨溫度的升高而減小,而相對(duì)粘度隨溫度升高的變化與納米粒子質(zhì)量分?jǐn)?shù)有關(guān)。質(zhì)量分?jǐn)?shù)w=0.1 %和w=0.5 % 時(shí),納米流體相對(duì)粘度隨溫度升高幾乎不發(fā)生變化，w=1 %的納米流體相對(duì)粘度隨溫度升高變化幅度較大；同時(shí)發(fā)現(xiàn)溫度保持在50 ℃時(shí)，w=0.1 %和w=0.5 %的納米流體粘度隨恒溫保持時(shí)間的延長(zhǎng)變化很小，而w=1 %的納米流體粘度卻減少了14.0 %，經(jīng)恒溫保持24 h后自然冷卻的納米流體再次加熱，發(fā)現(xiàn)其粘度較之前整體有所下降。

微機(jī)電系統(tǒng)； 納米流體； 粘度； 相對(duì)粘度； 恒溫

0 引 言

隨著微機(jī)電系統(tǒng)的迅速發(fā)展[1]，傳統(tǒng)的換熱工質(zhì)(水、油、醇)已很難滿足高傳熱強(qiáng)度和微系統(tǒng)散熱等特殊條件下的傳熱與冷卻要求，納米流體與之相比，具有導(dǎo)熱系數(shù)高、傳熱熱阻小、不易堵塞通道等優(yōu)點(diǎn)，從而引起科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域的廣泛關(guān)注[2～4]。粘度是流體流動(dòng)時(shí)所表現(xiàn)出的內(nèi)摩擦阻力,對(duì)流體流動(dòng)過(guò)程中傳質(zhì)和換熱的影響極大，因此,研究納米流體粘度特性，對(duì)將納米流體應(yīng)用于實(shí)際的能量輸運(yùn)過(guò)程十分有必要[5]。Murshed S等人[6]研究了體積分?jǐn)?shù)對(duì)Al2O3-H2O和Ti2O-H2O納米流體粘度的影響，發(fā)現(xiàn)體積分?jǐn)?shù)為5 %的Al2O3和Ti2O納米流體的粘度比基液粘度分別提高了82 %和86 %。Rohini P K等人[7]研究了極低濃度CuO-H2O納米流體的粘度與溫度及納米粒子體積分?jǐn)?shù)之間的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)納米流體的粘度隨溫度升高而減小，隨粒子體積分?jǐn)?shù)的增加而增大。Hachey M A等人[8]研究了Al2O3-H2O和Al2O3-EG納米流體在三種不同加熱狀態(tài)時(shí)的粘度特性，認(rèn)為粒子團(tuán)聚是納米流體產(chǎn)生粘度“回滯現(xiàn)象”的主要原因。

本文主要研究了Al2O3-H2O納米流體的粘度和相對(duì)粘度受溫度與粒子質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化的影響，探討了在長(zhǎng)時(shí)間保持恒溫狀態(tài)時(shí)Al2O3-H2O納米流體粘度的變化規(guī)律，以及對(duì)經(jīng)恒溫保持后自然冷卻的納米流體再次加熱，其粘度隨溫度的變化特性。

1 實(shí) 驗(yàn)

本文采取如圖1所示的實(shí)驗(yàn)裝置研究Al2O3-H2O納米流體的粘度特性。實(shí)驗(yàn)儀器采用SK1200H型超聲清洗器(59 kHz,45 W)，NDJ—5S數(shù)字粘度儀(測(cè)量精度為±2 %)，DF—2集熱式磁力加熱攪拌器(控溫范圍為0～100 ℃，轉(zhuǎn)速范圍為0～1250 r/min)，精度為0.01 g的JJ300電子天平和SC—5A數(shù)字恒溫箱(精度為0.01 ℃)等。實(shí)驗(yàn)選取Al2O3納米粒子的平均粒徑為35 nm，基液選擇去離子水?！皟刹椒ā敝苽浼{米流體的具體操作流程如下：先用電子天平分別稱取一定量的Al2O3納米粒子和去離子水，然后將納米粒子與相應(yīng)質(zhì)量的基液混合并用玻璃棒攪拌均勻，再置于磁力攪拌器中機(jī)械攪拌30 min，最后放入超聲清洗器中超聲振動(dòng)1 h，即完成納米流體制備。制備過(guò)程中未添加任何表面活性劑，以避免對(duì)納米流體粘度產(chǎn)生影響。需注意：應(yīng)保持粘度計(jì)頂部的水平氣泡始終處于中心位置，并采取多次測(cè)量取平均值的方法，以提高實(shí)驗(yàn)結(jié)果的可靠性。

圖1 粘度測(cè)量實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)Fig 1 Experimental system for viscosity measurement

2 結(jié)果分析與討論

2.1 測(cè)量Al2O3-H2O納米流體的粘度

實(shí)驗(yàn)首先測(cè)得溫度在25～50 ℃范圍內(nèi)去離子水(DW)的粘度，并與標(biāo)準(zhǔn)值[9]對(duì)比。如圖2所示，去離子水的粘度測(cè)量值隨溫度變化與標(biāo)準(zhǔn)值吻合良好，二者之間的最大偏差僅為1.71 %，可認(rèn)為系統(tǒng)精度滿足實(shí)驗(yàn)要求。

圖2 去離子水的粘度測(cè)量值與標(biāo)準(zhǔn)值對(duì)比Fig 2 Comparison of DW viscosities measurement value and standard value

圖3所示為溫度在25～50 ℃范圍內(nèi)，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.1 %,0.5 %和1 %的Al2O3-H2O納米流體粘度隨溫度變化情況。發(fā)現(xiàn)在相同溫度下，Al2O3-H2O納米流體的粘度隨納米粒子質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加而升高，這是因?yàn)榧尤爰{米粒子后，直接影響流體內(nèi)部的剪切效應(yīng)，使基液在流動(dòng)過(guò)程中克服流體內(nèi)摩擦阻力消耗的能量增加，納米粒子之間和納米粒子與水分子之間的內(nèi)摩擦阻力增大，所以,表現(xiàn)為納米流體粘度增大，且隨著納米粒子質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，懸浮液中所含納米粒子越多，流體流動(dòng)克服內(nèi)摩擦阻力所消耗的能量也越大，因而,納米流體粘度隨質(zhì)量分?jǐn)?shù)增大而增大。然而，隨著溫度的升高，基液分子的熱運(yùn)動(dòng)加劇，分子運(yùn)動(dòng)的平均速度加快，減弱了基液分子間的內(nèi)摩擦阻力，表現(xiàn)為基液粘度顯著減??；即使有納米粒子的存在，基液的性質(zhì)仍然居于主導(dǎo)地位，且溫度的升高加速了納米粒子在基液中的布朗運(yùn)動(dòng)，弱化了粒子與粒子間的粘附效應(yīng)，表現(xiàn)為納米流體粘度隨溫度升高而下降。

圖3 Al2O3 -H2O納米流體粘度隨溫度變化Fig 3 Viscosities of Al2O3 -H2O nanofluids vary with temperature

2.2 測(cè)量Al2O3-H2O納米流體相對(duì)粘度

隨著溫度的升高，納米流體的相對(duì)粘度μr=μnf/μf(μnf,μf分別表示為納米流體的粘度和基液粘度)也會(huì)相應(yīng)發(fā)生變化。如圖4所示，納米粒子質(zhì)量分?jǐn)?shù)越大，納米流體的相對(duì)粘度越大；對(duì)于w=0.1 %和w=0.5 %的納米流體來(lái)說(shuō)，其相對(duì)粘度在25～50 ℃的溫度范圍內(nèi)變化幅度較小(2.52 %,3.39 %)，而w=1 %時(shí)，相對(duì)粘度變化幅度較大(9.59 %)。分析其原因：基液的性質(zhì)對(duì)較低質(zhì)量分?jǐn)?shù)的納米流體粘度影響極大，導(dǎo)致溫度升高時(shí)其相對(duì)粘度的變化較小，而納米粒子含量較高時(shí)，粒子間碰撞團(tuán)聚的幾率增大，且隨著溫度的升高，納米粒子布朗運(yùn)動(dòng)加劇，基液性質(zhì)對(duì)納米流體粘度影響減小，使得在相同溫度下，納米流體粘度的減小就有所滯后，表現(xiàn)為其相對(duì)粘度隨溫度的升高而增大。這與Nguyen C T等人[10]研究發(fā)現(xiàn)的粘度“回滯現(xiàn)象”存在相似之處。

圖4 Al2O3 -H2O納米流體相對(duì)粘度隨溫度變化Fig 4 Relative viscosities of Al2O3- H2O nanofluids vary with temperature

2.3 恒溫保持對(duì)Al2O3-H2O納米流體粘度的影響

保持Al2O3-H2O納米流體溫度在50 ℃時(shí)，其粘度變化如圖5所示。發(fā)現(xiàn)不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的Al2O3-H2O納米流體經(jīng)過(guò)恒溫水浴法加熱后粘度變化不盡相同。對(duì)于w=0.1 %和w=0.5 %的納米流體，其粘度在恒溫保持中變化不甚明顯，而w=1 %的納米流體粘度變化相對(duì)較大，隨恒溫保持時(shí)間的延長(zhǎng)其粘度逐漸下降，最大下降14.0 %。這是因?yàn)楦邷貢?huì)弱化納米粒子間的粘附效應(yīng)，隨著恒溫保持時(shí)間的延長(zhǎng)，弱化作用效果就越明顯，低質(zhì)量分?jǐn)?shù)的納米流體粘度就相對(duì)趨于穩(wěn)定。然而，粒子質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高時(shí)，粒子之間碰撞發(fā)生團(tuán)聚的幾率增加，其粘度也就隨團(tuán)聚程度的增強(qiáng)而減小。

圖5 納米流體粘度隨恒溫保持時(shí)間的變化Fig 5 Viscosities of Al2O3 -H2O nanofluids vary with time under constant temperature

經(jīng)恒溫保持24 h后，自然冷卻納米流體至室溫，再次進(jìn)行加熱，得到的納米流體粘度隨溫度變化情況如圖6所示。對(duì)比恒溫保持前納米流體的粘度隨溫度變化規(guī)律，發(fā)現(xiàn)相同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的納米流體，經(jīng)長(zhǎng)時(shí)間恒溫保持后比之前其粘度隨溫度變化整體有所下降，并且下降的程度與質(zhì)量分?jǐn)?shù)相關(guān)。w=0.1 %，w=0.5 %的納米流體下降幅度較小,最大下降分別為3.61 %，5.15 %，w=1 %的納米流體則下降幅度較大,最大下降為11.6 %。這說(shuō)明長(zhǎng)時(shí)間加熱后粒子間的粘附效應(yīng)會(huì)被進(jìn)一步弱化，而這種弱化作用在降溫的過(guò)程中可能沒(méi)有得到完全恢復(fù)；另一方面，納米流體在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中不可避免會(huì)產(chǎn)生一定團(tuán)聚和沉淀，從而納米流體的粘度也會(huì)相應(yīng)有所減小，這些可能就是所謂的粘度“回滯現(xiàn)象”[10]產(chǎn)生的主要原因。

圖6 再次加熱后的納米流體粘度隨溫度變化Fig 6 Viscosities of reheated Al2O3 -H2O nanofluids vary with temperature

3 結(jié) 論

本文采用“兩步法”制備了不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的Al2O3-H2O納米流體，對(duì)納米流體的粘度實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果表明：溫度越高納米流體粘度越低；而相對(duì)粘度與溫度之間的關(guān)系和納米粒子的質(zhì)量分?jǐn)?shù)有關(guān)。對(duì)制備的納米流體維持長(zhǎng)時(shí)間的50 ℃恒溫水浴加熱，發(fā)現(xiàn)其粘度會(huì)隨著恒溫保持時(shí)間的延長(zhǎng)發(fā)生變化，且與納米粒子質(zhì)量分?jǐn)?shù)有一定聯(lián)系。待恒溫保持24 h的納米流體自然冷卻至室溫后，再次進(jìn)行加熱，發(fā)現(xiàn)在相同溫度下，經(jīng)長(zhǎng)時(shí)間恒溫保持的納米流體粘度比之未經(jīng)長(zhǎng)時(shí)間恒溫保持的納米流體粘度整體會(huì)有所降低，且納米粒子質(zhì)量分?jǐn)?shù)越大，下降幅度越明顯。

[1] 陸敬予,張飛虎,張 勇.微機(jī)電系統(tǒng)的現(xiàn)狀與展望[J].傳感器與微系統(tǒng),2008,27(2):1-7.

[2] 謝華清,陳立飛.納米流體對(duì)流換熱系數(shù)增大機(jī)理[J].物理學(xué)報(bào),2009,58(4):2513-2517.

[3] 肖波齊,范金土,蔣國(guó)平,等.納米流體對(duì)流換熱機(jī)理分析[J].物理學(xué)報(bào),2012,61(15):154401.

[4] 周登青,吳慧英.乙二醇基納米流體黏度的實(shí)驗(yàn)研究[J].化工學(xué)報(bào),2014,65 (6):2021-2026.

[5] 宣益民,李 強(qiáng).納米流體能量傳遞理論與應(yīng)用[M].北京:科學(xué)出版社,2010：107-109.

[6] Murshed S,Leong K,Yang C.Investigations of thermal conducti-vity and viscosity of nanofluids[J].International Journal of Thermal Sciences,2008,47(5):60-68.

[7] Rohini P K,Suganthi K S,Rajan K S.Transport properties of ultra-low concentration CuO-water nanofluids containing non-sphe-rical nanoparticles[J].International Journal of Heat and Mass Transfer,2012,55(17):4734-4743.

[8] Hachey M A,Nguyen C T,Galanis N,et al.Experimental investigation of Al2O3nanofluids thermal properties and rheology-Effects of transient and steady-state heat exposure[J].International Journal of Thermal Sciences,2014,76:155-167.

[9] Astle M J.CRC handbook of chemistry and physics[M].Boca Raton:CRC Press,1988:40.

[10] Nguyen C T,Desgranges F,Roy G,et al.Temperature and particle-size dependent viscosity data for water-based nanofluids-hysteresis phenomenon[J].International Journal of Heat and Fluid Flow,2007,28(6):1492-1506.

Research on influence of temperature on viscosity property of Al2O3-H2O nanofluid*

NIU Guang-qing, LING Zhi-yong, ZHANG Zhong-qiang, HUANG Yue-tao

(Center of Micro/Nano Science & Technology,Jiangsu University,Zhenjiang 212013,China)

An experimental investigation employing two-step method is conducted on the viscosities and relative viscosities of Al2O3-H2O nanofluids with mass fractions of 0.1 %,0.5 % and 1 % at range of 25～50 ℃.The results show that viscosities decreased with temperature increasing;however,relative viscosities change with temperature increasing which are related to mass fractions of nanoparticles.Relative viscosities of nanofluids vary barely with temperature rising with fractions ofw=0.1 % andw=0.5 %,whereas amplitude of temperature variation is greater in higher concentration,w=1 %.Simultaneously,it is demonstrated that while temperature is kept at 50 ℃,no significant variation in viscosities of nanofluids withw=0.1 % andw=0.5 %,while viscosities of nanofluids withw=1 % decrased by 14.0 %.Furthermore,an overall decline happened to those viscosities of nanofluids reheated after cooling naturally comparing with the viscosities of nanofluids without keeping constant temperature at 50 ℃ for 24 h.

MEMS; nanofluid; viscosity; relative viscosity; constant temperature

10.13873/J.1000—9787(2015)12—0054—03

2015—03—16

國(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目(11472117)；國(guó)家自然科學(xué)基金青年基金資助項(xiàng)目(11102074)

O 357.1

: A

: 1000—9787(2015)12—0054—03

牛廣清(1989-),男,河南南陽(yáng)人,碩士研究生,主要研究方向?yàn)槲C(jī)電系統(tǒng)散熱與納米流體輸運(yùn)參數(shù)研究。