磁性納米流體的流動特性研究

吳治將，羅 恒

（1.順德職業(yè)技術(shù)學(xué)院 能源與汽車工程學(xué)院，廣東 佛山 528333 2.廣東高校熱泵工程技術(shù)開發(fā)中心，廣東 佛山 528333 3.順德職業(yè)技術(shù)學(xué)院 科技處，廣東 佛山 528333）

磁流體具有磁性和流體兩種性質(zhì)，在磁場的作用下對溫度具有很強(qiáng)的敏感性，在熱利用和提高傳熱效率方面具有很大的研究價(jià)值［1-3］。國內(nèi)外研究人員已展開大量關(guān)于磁流體的生產(chǎn)、性能和使用方面的研究，并已成功應(yīng)用于各工業(yè)領(lǐng)域［4-6］。王正良［7］測試了磁場中磁性流體的傳熱性能，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：當(dāng)外磁場方向與重力方向一致時(shí)，外磁場可以強(qiáng)化磁流體的自然對流過程，磁性流體表觀密度對自然對流強(qiáng)度起決定性作用。H.Yamaguchi［8］等人從數(shù)值模擬方面進(jìn)行研究，得出外磁場作用下磁流體的渦流循環(huán)方向?yàn)轫槙r(shí)針，同時(shí)發(fā)現(xiàn)回路通道中會出現(xiàn)局部渦流現(xiàn)象。T.Fujita［9］等人用感溫型磁流體對熱對流管道進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，證實(shí)在磁流體回路中熱源旁邊的垂直管道上外加磁場時(shí)，會增強(qiáng)磁流體的流動，系統(tǒng)的傳熱效率會顯著增加。Bashtovoi［10］等人在磁流體的回路入口段的傳熱面上加上水基磁液，并加外強(qiáng)磁場，在通道內(nèi)壁形成毫米級磁流體膜，結(jié)果發(fā)現(xiàn)磁流體的流動阻力卻下降約20%，強(qiáng)迫對流傳熱提高了近一倍多。雖然國內(nèi)外學(xué)者對磁流體的特性做了很多方面的研究，但在外磁場對磁流體運(yùn)行特性、強(qiáng)化傳熱機(jī)理、不同基液磁流體的性能分析等方面還需要進(jìn)一步深入分析。因此，建立磁性納米流體Fe3O4-H2O 流動特性實(shí)驗(yàn)裝置，分析外磁場的強(qiáng)度、磁性納米粒子濃度、加熱端的加熱功率、冷卻端的冷卻溫度等對磁流體流動特性的影響，對磁流體的進(jìn)一步探索和應(yīng)用打下基礎(chǔ)。

1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

如圖1 所示，磁性納米流體Fe3O4-H2O 流動特性實(shí)驗(yàn)裝置由數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、傳熱性能實(shí)驗(yàn)測試段和水冷卻裝置三部分組成的閉路循環(huán)系統(tǒng)。閉合環(huán)形回路7 是整個實(shí)驗(yàn)的主要部分，整個回路的長度為110 mm，寬度為80 mm，回路的材料是銅管（內(nèi)徑為6 mm）。通道中磁流體的流量測量由超聲波流量計(jì)6 完成。測量通道內(nèi)流體的壓力由壓力計(jì)5 完成。磁流體通道的冷卻端由冷卻裝置8 和恒溫水浴槽組成。實(shí)驗(yàn)中的磁場由電磁鐵1 產(chǎn)生，線圈的匝數(shù)為18 000，其線徑為1.0 mm，直徑為20 mm，電磁鐵最大的磁場強(qiáng)度為850 Gs。磁場強(qiáng)度由高斯計(jì)測量。發(fā)熱絲2 可調(diào)節(jié)不同的加熱輸出功率。通道中的溫度采用T 分度熱電偶，溫度數(shù)據(jù)由安捷倫數(shù)據(jù)采集并用電腦自動記錄。本實(shí)驗(yàn)需要測量的主要參數(shù)有：磁流體通道中各點(diǎn)的溫度、磁流體的流量、冷卻水進(jìn)出口溫度等。

圖1 實(shí)驗(yàn)原理圖

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 外磁場磁流體的運(yùn)動特性影響

圖2 為環(huán)境溫度ta=25 ℃、冷卻溫度tc=10 ℃、Fe3O4-H2O 質(zhì)量分?jǐn)?shù)為α=0.7%、加熱功率Q=3.5 W、磁場強(qiáng)度B=350 Gs 的工況下，有無外磁場時(shí)磁流體的流速變化情況。

從圖2 可知，當(dāng)無外磁場時(shí)，磁流體的速度基本為零，雖然回路中存在溫差，會產(chǎn)生一定的驅(qū)動力，但還不能推動磁流體產(chǎn)生實(shí)際性的流動。當(dāng)外加磁場后，磁流體就開始運(yùn)行，流速隨著時(shí)間的增加而增加，在250 s 時(shí)達(dá)到最大值。原因分析：在外磁場作用下，磁流體在磁力的推動下產(chǎn)生流動，當(dāng)磁流體內(nèi)部受到與溫度梯度方向一致的磁場力作用時(shí)，在通道的冷端位置（溫度相對低處），磁流體產(chǎn)生的磁化強(qiáng)度相對較大，同時(shí)受到的外磁場驅(qū)動力也較大，磁流體會形成順時(shí)針的環(huán)流，當(dāng)加熱段的磁流體流動到下游冷卻段時(shí)被冷卻，這就是熱磁對流現(xiàn)象［7］，當(dāng)系統(tǒng)達(dá)到平衡后，流速也達(dá)最大。

圖2 外磁場磁流體的流速變化關(guān)系

2.2 加熱功率對磁流體運(yùn)動特性的影響

圖3 為環(huán)境溫度ta=25 ℃、冷卻溫度tc=10 ℃、Fe3O4-H2O 質(zhì)量分?jǐn)?shù)為α=0.7%、加熱功率Q=1.1～5.5 W、磁場強(qiáng)度B=350 Gs 的工況下，加熱功率與磁流體流速的變化關(guān)系。

由圖3 分析可知，磁流體的流速隨加熱功率的增加而增大到某一定值后出現(xiàn)下降，流速最大值為v=1.89 mm·s-1，對應(yīng)的加熱功率達(dá)到4.0 W。原因分析：當(dāng)增加加熱絲的功率時(shí)，通道中熱端磁流體的溫度會快速上升，磁流體內(nèi)部的溫度梯度變大，系統(tǒng)的流動阻力隨之減小，導(dǎo)致通道中熱磁對流的驅(qū)動力增加，最終磁流體的流速會增大。但加熱功率增大會導(dǎo)致磁流體的溫度上升超過該壓力下的沸點(diǎn)溫度后，磁流體的基液就會產(chǎn)生部分汽化現(xiàn)象，由于基液減少，一方面使Fe3O4顆粒產(chǎn)生團(tuán)聚，另一方面導(dǎo)致Fe3O4顆粒的粘度大大增加，造成磁流體總的流動阻力大大增加，導(dǎo)致磁流體的流速減小。

圖3 流體流速與加熱功率的變化關(guān)系

2.3 磁場強(qiáng)度對磁流體運(yùn)動狀況的影響

圖4 為環(huán)境溫度ta=25 ℃、冷卻溫度tc=10 ℃、Fe3O4-H2O 質(zhì)量分?jǐn)?shù)為α=0.7%、加熱功率Q=3.5 W、磁場強(qiáng)度B=50～460 Gs 的工況下，磁流體流速隨磁場強(qiáng)度的變化關(guān)系。

在加熱功率Q=3.5 W 時(shí)，當(dāng)磁場強(qiáng)度增加時(shí)，磁流體流速隨之增大。原因分析：外磁場的強(qiáng)度增加，磁流體內(nèi)部受到的磁場力也增加，通道中的自然對流會加劇，磁流體內(nèi)部的能量傳遞過程得到了強(qiáng)化，通道內(nèi)的熱磁對流強(qiáng)度會增加，相應(yīng)的磁流體的流速也變大。

圖4 流體流速隨磁場強(qiáng)度的變化關(guān)系

2.4 冷凝溫度對磁流體運(yùn)動狀況的影響

圖5 為環(huán)境溫度ta=25 ℃、冷卻溫度tc=6～14 ℃、Fe3O4-H2O 質(zhì)量分?jǐn)?shù)為α=0.7%、加熱功率Q=3.5 W、磁場強(qiáng)度B=350 Gs 的工況下，磁流體流速隨冷卻溫度的變化關(guān)系。

從圖5 分析可知，磁流體的流速隨著冷卻溫度的下降而變小。原因分析：當(dāng)通道中冷端處的溫度降低，磁流體內(nèi)部的溫度梯度會變小，磁熱對流的驅(qū)動力隨之變小，降低磁場冷卻端的溫度和降低加熱端磁流體的整體溫度，導(dǎo)致磁流體整體的流速變小。

圖5 流體流速隨冷卻溫度變化關(guān)系

2.5 納米Fe3O4顆粒含量對磁流體運(yùn)動狀況的影響

圖6 為環(huán)境溫度ta=25℃、冷卻溫度tc=10℃、Fe3O4-H2O 質(zhì)量分?jǐn)?shù)為α=0.1%～1.5%、加熱功率Q=3.5 W、磁場強(qiáng)度B=350 Gs 的工況下，磁流體流速隨粒子質(zhì)量分?jǐn)?shù)的變化關(guān)系。

從圖6 分析可知，磁流體流速隨著納米粒子含量的增加呈現(xiàn)出先增加后減小的變化趨勢。當(dāng)Fe3O4-H2O 納米流體的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為α=0.7%，磁流體的流速達(dá)到最大。原因分析：磁流體受到外磁場力作用隨著磁性納米流體粒子濃度的增加而增大，但當(dāng)納米粒子濃度增加到一定程度后，F(xiàn)e3O4顆粒開始發(fā)生團(tuán)聚和粘度增大，邊界層厚度增加，部分Fe3O4納米顆粒甚至被吸附在內(nèi)管壁，粒子受到的磁場力變?yōu)樽枇?，?dǎo)致流速減小。

圖6 磁流體流速隨粒子質(zhì)量分?jǐn)?shù)的變化關(guān)系

3 結(jié)論

外磁場對磁性納米流體的流動特性影響非常明顯，當(dāng)外加磁場后，可明顯提高磁流體的流速；流體的流速隨加熱功率的增加而增大，但磁流體溫度超過沸點(diǎn)溫度后，流速反而下降；當(dāng)外加磁場強(qiáng)度增大時(shí)，會加劇了磁流體的自然對流，導(dǎo)致流速變大；磁流體的流速隨著冷卻溫度的下降而變?。辉诒緦?shí)驗(yàn)范圍內(nèi)，當(dāng)Fe3O4-H2O 納米流體質(zhì)量分?jǐn)?shù)為α=0.7%，磁性納米流體的流速最大。