溫度對Al2O3-H2O納米流體粘度特性影響研究*

牛廣清， 凌智勇， 張忠強， 黃躍濤

(江蘇大學 微納米科學技術研究中心，江蘇 鎮江 212013)

溫度對Al2O3-H2O納米流體粘度特性影響研究*

牛廣清， 凌智勇， 張忠強， 黃躍濤

(江蘇大學 微納米科學技術研究中心，江蘇 鎮江 212013)

采用“兩步法”制備了質量分數分別為0.1 %,0.5 %,1 %的Al2O3-H2O納米流體，研究了溫度在25～50 ℃范圍內納米流體粘度和相對粘度的變化規律,發現粘度隨溫度的升高而減小,而相對粘度隨溫度升高的變化與納米粒子質量分數有關。質量分數w=0.1 %和w=0.5 % 時,納米流體相對粘度隨溫度升高幾乎不發生變化，w=1 %的納米流體相對粘度隨溫度升高變化幅度較大；同時發現溫度保持在50 ℃時，w=0.1 %和w=0.5 %的納米流體粘度隨恒溫保持時間的延長變化很小，而w=1 %的納米流體粘度卻減少了14.0 %，經恒溫保持24 h后自然冷卻的納米流體再次加熱，發現其粘度較之前整體有所下降。

微機電系統； 納米流體； 粘度； 相對粘度； 恒溫

0 引 言

隨著微機電系統的迅速發展[1]，傳統的換熱工質(水、油、醇)已很難滿足高傳熱強度和微系統散熱等特殊條件下的傳熱與冷卻要求，納米流體與之相比，具有導熱系數高、傳熱熱阻小、不易堵塞通道等優點，從而引起科學技術領域的廣泛關注[2～4]。粘度是流體流動時所表現出的內摩擦阻力,對流體流動過程中傳質和換熱的影響極大，因此,研究納米流體粘度特性，對將納米流體應用于實際的能量輸運過程十分有必要[5]。Murshed S等人[6]研究了體積分數對Al2O3-H2O和Ti2O-H2O納米流體粘度的影響，發現體積分數為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數之間的關系，發現納米流體的粘度隨溫度升高而減小，隨粒子體積分數的增加而增大。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時的粘度特性，認為粒子團聚是納米流體產生粘度“回滯現象”的主要原因。

本文主要研究了Al2O3-H2O納米流體的粘度和相對粘度受溫度與粒子質量分數變化的影響，探討了在長時間保持恒溫狀態時Al2O3-H2O納米流體粘度的變化規律，以及對經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 驗

本文采取如圖1所示的實驗裝置研究Al2O3-H2O納米流體的粘度特性。實驗儀器采用SK1200H型超聲清洗器(59 kHz,45 W)，NDJ—5S數字粘度儀(測量精度為±2 %)，DF—2集熱式磁力加熱攪拌器(控溫范圍為0～100 ℃，轉速范圍為0～1250 r/min)，精度為0.01 g的JJ300電子天平和SC—5A數字恒溫箱(精度為0.01 ℃)等。實驗選取Al2O3納米粒子的平均粒徑為35 nm，基液選擇去離子水。“兩步法”制備納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質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械攪拌30 min，最后放入超聲清洗器中超聲振動1 h，即完成納米流體制備。制備過程中未添加任何表面活性劑，以避免對納米流體粘度產生影響。需注意：應保持粘度計頂部的水平氣泡始終處于中心位置，并采取多次測量取平均值的方法，以提高實驗結果的可靠性。

圖1 粘度測量實驗系統Fig 1 Experimental system for viscosity measurement

2 結果分析與討論

2.1 測量Al2O3-H2O納米流體的粘度

實驗首先測得溫度在25～50 ℃范圍內去離子水(DW)的粘度，并與標準值[9]對比。如圖2所示，去離子水的粘度測量值隨溫度變化與標準值吻合良好，二者之間的最大偏差僅為1.71 %，可認為系統精度滿足實驗要求。

圖2 去離子水的粘度測量值與標準值對比Fig 2 Comparison of DW viscosities measurement value and standard value

圖3所示為溫度在25～50 ℃范圍內，質量分數為0.1 %,0.5 %和1 %的Al2O3-H2O納米流體粘度隨溫度變化情況。發現在相同溫度下，Al2O3-H2O納米流體的粘度隨納米粒子質量分數的增加而升高，這是因為加入納米粒子后，直接影響流體內部的剪切效應，使基液在流動過程中克服流體內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摩擦阻力增大，所以,表現為納米流體粘度增大，且隨著納米粒子質量分數的增加，懸浮液中所含納米粒子越多，流體流動克服內摩擦阻力所消耗的能量也越大，因而,納米流體粘度隨質量分數增大而增大。然而，隨著溫度的升高，基液分子的熱運動加劇，分子運動的平均速度加快，減弱了基液分子間的內摩擦阻力，表現為基液粘度顯著減小；即使有納米粒子的存在，基液的性質仍然居于主導地位，且溫度的升高加速了納米粒子在基液中的布朗運動，弱化了粒子與粒子間的粘附效應，表現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 測量Al2O3-H2O納米流體相對粘度

隨著溫度的升高，納米流體的相對粘度μr=μnf/μf(μnf,μf分別表示為納米流體的粘度和基液粘度)也會相應發生變化。如圖4所示，納米粒子質量分數越大，納米流體的相對粘度越大；對于w=0.1 %和w=0.5 %的納米流體來說，其相對粘度在25～50 ℃的溫度范圍內變化幅度較小(2.52 %,3.39 %)，而w=1 %時，相對粘度變化幅度較大(9.59 %)。分析其原因：基液的性質對較低質量分數的納米流體粘度影響極大，導致溫度升高時其相對粘度的變化較小，而納米粒子含量較高時，粒子間碰撞團聚的幾率增大，且隨著溫度的升高，納米粒子布朗運動加劇，基液性質對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，表現為其相對粘度隨溫度的升高而增大。這與Nguyen C T等人[10]研究發現的粘度“回滯現象”存在相似之處。

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

2.3 恒溫保持對Al2O3-H2O納米流體粘度的影響

保持Al2O3-H2O納米流體溫度在50 ℃時，其粘度變化如圖5所示。發現不同質量分數的Al2O3-H2O納米流體經過恒溫水浴法加熱后粘度變化不盡相同。對于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較大，隨恒溫保持時間的延長其粘度逐漸下降，最大下降14.0 %。這是因為高溫會弱化納米粒子間的粘附效應，隨著恒溫保持時間的延長，弱化作用效果就越明顯，低質量分數的納米流體粘度就相對趨于穩定。然而，粒子質量分數較高時，粒子之間碰撞發生團聚的幾率增加，其粘度也就隨團聚程度的增強而減小。

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

經恒溫保持24 h后，自然冷卻納米流體至室溫，再次進行加熱，得到的納米流體粘度隨溫度變化情況如圖6所示。對比恒溫保持前納米流體的粘度隨溫度變化規律，發現相同質量分數的納米流體，經長時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量分數相關。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 %。這說明長時間加熱后粒子間的粘附效應會被進一步弱化，而這種弱化作用在降溫的過程中可能沒有得到完全恢復；另一方面，納米流體在實驗過程中不可避免會產生一定團聚和沉淀，從而納米流體的粘度也會相應有所減小，這些可能就是所謂的粘度“回滯現象”[10]產生的主要原因。

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 論

本文采用“兩步法”制備了不同質量分數的Al2O3-H2O納米流體，對納米流體的粘度實驗研究結果表明：溫度越高納米流體粘度越低；而相對粘度與溫度之間的關系和納米粒子的質量分數有關。對制備的納米流體維持長時間的50 ℃恒溫水浴加熱，發現其粘度會隨著恒溫保持時間的延長發生變化，且與納米粒子質量分數有一定聯系。待恒溫保持24 h的納米流體自然冷卻至室溫后，再次進行加熱，發現在相同溫度下，經長時間恒溫保持的納米流體粘度比之未經長時間恒溫保持的納米流體粘度整體會有所降低，且納米粒子質量分數越大，下降幅度越明顯。

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

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[3] 肖波齊,范金土,蔣國平,等.納米流體對流換熱機理分析[J].物理學報,2012,61(15):154401.

[4] 周登青,吳慧英.乙二醇基納米流體黏度的實驗研究[J].化工學報,2014,65 (6):2021-2026.

[5] 宣益民,李 強.納米流體能量傳遞理論與應用[M].北京:科學出版社,2010：107-109.

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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

國家自然科學基金面上項目(11472117)；國家自然科學基金青年基金資助項目(11102074)

O 357.1

: A

: 1000—9787(2015)12—0054—03

牛廣清(1989-),男,河南南陽人,碩士研究生,主要研究方向為微機電系統散熱與納米流體輸運參數研究。