對納米流體Al2O3與CuO與水基冷卻液相容性研究分析

熊思琴

摘要：通過在水基冷卻液中添加30nm、50nm的納米顆粒Al2O3與CuO，體積量同設(shè)置三種規(guī)格0.1%、0.3%、0.5%，仿真對比分析兩種納米流體在不同粒徑和體積量下的物理參數(shù)，分析得出50nm的納米流體具有更好的粘度值，同時流體密度和粘度隨著體積量增加增幅降低;Al2O3比CuO與基液具有更好相容性。

關(guān)鍵詞：納米流體;Al2O3;CuO;粘度

“納米流體”的概念是由Choi[1]和Eastman在1995年提出并制備CuO-水、Cu-機(jī)油、Al2O3-水幾種納米流體，近年來隨著對納米流體的研究增多，發(fā)現(xiàn)在基液中添加高導(dǎo)熱的納米粒子，能夠顯著提升液體的傳熱能力;納米粒子的大比表面積和小尺寸效應(yīng)增大了顆粒與顆粒和顆粒與管壁之間的相互接觸碰撞次數(shù)，增強(qiáng)了布朗運(yùn)動，有利于整個體系保持穩(wěn)定懸浮狀態(tài)。

南京理工大學(xué)宣益民[2]等率先在國內(nèi)開展納米流體相關(guān)研究，討論了雷諾數(shù)、提子體積份額對納米流體導(dǎo)熱和流動性能的影響，而不同金屬氧化物粒子與基液相容性研究這方面內(nèi)容較少。本文將對比分析Al2O3與CuO兩種納米流體同等邊界條件下冷卻液的物性參數(shù)變化。

1、散熱器幾何結(jié)構(gòu)模型

汽車散熱器是汽車水冷發(fā)動機(jī)冷卻系統(tǒng)中不可缺少的重要部件，正朝著輕型、高效、經(jīng)濟(jì)的方向發(fā)展。它主要由水管和散熱片（多用鋁材）制成，鋁制水管做成扁平形狀，散熱片帶波紋狀，注重散熱性能，冷卻液在散熱器芯內(nèi)流動，空氣在散熱器芯外通過。熱的冷卻液由于向空氣散熱而變冷，冷空氣則因?yàn)槲绽鋮s液散出的熱量而升溫，所以散熱器性能的優(yōu)劣能夠?qū)鋮s系統(tǒng)冷卻性能的發(fā)揮產(chǎn)生較大影響。按照散熱器中冷卻液的流動方向有橫流式和縱流式，本文構(gòu)建了橫流式的散熱器結(jié)構(gòu)作為納米流體流動特性分析載體，簡化后三維幾何模型的散熱器片厚度為1.5mm、長度為300mm、寬度20mm，散熱片間距7mm，總散熱片數(shù)10，如下圖1所示，已省略了散熱帶、安裝板等于冷卻液流經(jīng)途徑無關(guān)的部分結(jié)構(gòu)。

2、散熱器模型網(wǎng)格劃分

采用四面體結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格離散物理模型，在進(jìn)一步對散熱器的幾何結(jié)構(gòu)處理后根據(jù)各位置結(jié)構(gòu)的不同需求對面網(wǎng)格尺寸大小進(jìn)行調(diào)整，如冷卻液流通的散熱片內(nèi)腔是造成散熱器壓力損失最多的位置且內(nèi)腔空間狹小，因此需細(xì)化散熱片處的網(wǎng)格尺寸，下圖2是散熱器計算區(qū)域體網(wǎng)格圖，網(wǎng)格總數(shù)120萬。

3、計算邊界條件及控制方程

環(huán)境溫度298K，大氣壓力約為101.325Kpa，入口邊界為速度邊界，納米流體冷卻液進(jìn)口速度分別為0.931m/s，冷卻液進(jìn)口溫度333.1K，其中納米流體體積份額為分別為0.1%、0.3%、0.5%，出口為自由出流，用于出口無返流的情況，并假定流動充分發(fā)展，即出口邊界的法向方向上的一階導(dǎo)數(shù)為零壁面為無滑移標(biāo)準(zhǔn)絕熱壁面邊界，結(jié)果的收斂性好。

4、計算結(jié)果分析

在數(shù)值模擬中，將納米流體（分別為氧化鋁、氧化銅）及基礎(chǔ)水液體看作一維單相流，代入邊界條件及相應(yīng)的物性參數(shù)，計算結(jié)果如表2、表3。

可以看出，與基液相比，納米流體的整體密度隨納米顆粒體積量的增加而增加，同時流體粘度參數(shù)也隨著體積量的增加而變大。CuO-H2O納米流體30nm級別中，體積分?jǐn)?shù)從0.1%增加至0.3%密度增量為0.43%、從0.3%增加至0.5%密度增量為0.38%，對應(yīng)粘度增量分別是5.3%、2.6%。納米顆粒在冷卻液的循環(huán)流動中隨著時間的增加出現(xiàn)粒子沉積的現(xiàn)象，而沉積量與增加的粒子量并正比例線性關(guān)系，反而隨著體積量的增加沉積的粒子量從增加到減少，源于離子的相互作用力增加了納米顆粒在冷卻液中的碰撞，加劇布朗運(yùn)動，沉積的粒子隨著布朗運(yùn)動的增強(qiáng)又部分回到液體中，50nm級別CuO-H2O的密度增加率為0.43%、0.38%，對應(yīng)粘度增加率分別為4%、2%，30nm級別Al2O3-H2O的密度增加率為0.23%、0.22%，對應(yīng)粘度增加率分別為6.4%、1.4%，50nm級別Al2O3-H2O的密度增加率為0.27%、0.17%，對應(yīng)粘度增加率分別為1.5%、2.1%。通過比較增量發(fā)現(xiàn)Al2O3-H2O納米流體也有同樣密度與粘度變化規(guī)律。

此外，50nm級別的納米流體比30nm級別流體具有更小的粘度變化，顆粒直徑增大增強(qiáng)了與附近顆粒的吸引力，在流動過程中碰撞次數(shù)增加，使得粒子沉積現(xiàn)象得到緩解，液體整體粘度增幅下降。因此，納米粒徑增大可增強(qiáng)布朗運(yùn)動降低液體粘度增幅。同時又比較同樣粒徑同體積分?jǐn)?shù)的兩種納米流體粘度可發(fā)現(xiàn)無論是較小粒徑還是較大粒徑，Al2O3-H2O較CuO-H2O具有更小的密度與粘度，可推測，Al2O3比CuO與基液的相容度更好。

5、結(jié)論

（1）50nm級別的納米流體比30nm級別納米流體具有更小的粘度變化，較大粒徑的納米流體內(nèi)部粒子間相互作用力增加，減緩粘度和密度增幅;同時體積量的增加，增加了流體內(nèi)部的粒子碰撞次數(shù)，加劇了同等邊界條件下的布朗運(yùn)動，納米液體的密度與粘度隨著體積量的增加而降低增幅。

（2）Al2O3-H2O較CuO-H2O冷卻液在同等粒徑大小和體積量下具有更小的密度與粘度，同時密度與粘度隨著體積量的增加增幅更小，Al2O3比CuO與基液的相容度更好。

參考文獻(xiàn)：

[1]周陸軍，宣益民，李強(qiáng).納米流體多相流動的多尺度模擬方法[J].計算物理.2009（06）：849-855.

[2]謝華清，奚同庚.納米流體導(dǎo)熱系數(shù)研究[J].上海第二工業(yè)大學(xué)學(xué)報，2006，23（3）：200-204.