納米流體強化沸騰換熱研究進展

王東民，全曉軍，李金京

(上海交通大學機械與動力工程學院，上海 200240)

1 前 言

隨著工業技術的發展，散熱系統逐漸微型化并且迫切需要散熱能力更強的散熱系統，這需要散熱性能更好的換熱工質和更先進的冷卻系統。為此，科學家們發現了一種新型換熱工質——納米流體。納米流體是指將納米尺寸的固體顆粒(通常在100 nm以下)均勻分散在液體中形成的穩定膠體分散液，所采用的納米顆粒材料通常為金屬、金屬氧化物或非金屬材料，分散的基本流體通常為水、油、丙酮或乙二醇等。最初納米流體因為在很低的濃度下就顯示出比傳統流體具有更高的熱導率而備受關注[1, 2]。除此之外，相比添加了微米顆?；蚝撩最w粒的懸浮液，納米流體具有更長久的穩定性和更高的熱導率，并且在微通道內流動所需的壓降也更小，同時也不會腐蝕或堵塞微通道。

納米流體因為比傳統流體具有眾多優異的物理性質而被廣泛應用于各種工業領域。在核反應堆散熱領域，如果采用納米流體作為冷卻水，那么在沸騰散熱過程中燃料棒上將覆蓋納米顆粒，使得核反應裝置的壓力水冷反應堆內的燃料棒與冷卻水之間的沸騰換熱的臨界熱流密度提高[3]，從而可以提高核反應堆的能量密度、可靠性和安全性。在電子器件散熱領域，因為納米流體具有比傳統流體更高的熱導率以及其強化沸騰換熱的特性，納米流體在微型高功率散熱組件如高速計算微芯片的冷卻中也具有重要應用前景[4]。采用納米流體作為熱管的換熱工質(如微型槽道熱管、網格吸液芯熱管、振蕩熱管以及兩相虹吸熱管)，可以極大增強換熱速率、減小總體熱阻、提高熱管換熱能力[5]。在汽車領域，因為納米流體的熱導率高于傳統流體和其優良的潤滑性能，采用納米流體作為冷卻液代替傳統發動機冷卻液(如：水和乙二醇的混合液)，能極大提高汽車發動機的散熱性能[6]。

沸騰換熱作為一種利用換熱工質發生相變來散熱的方式，具有比對流換熱和導熱更高的散熱速率和更大的散熱能力，因此對納米流體強化沸騰換熱的研究成為近年來的研究熱點。下面介紹納米流體的主要制備方法、物理性質、納米流體對沸騰換熱的影響，并對未來納米流體強化沸騰換熱的研究進行了展望。

2 納米流體的制備及其物理性質

2.1 納米流體的制備

納米流體的制備方法通常分為兩類：單步法和兩步法。單步法指納米顆粒的制備和納米流體的制備是聯合進行的，通常指通過物理氣相沉積法或液相化學法來制備納米顆粒及納米流體。如Eastman等[7]利用流動的乙二醇液體冷卻銅蒸汽來制備銅納米流體，Liu 等[8]利用化學還原法制備水基銅納米流體等。單步法的優點是不需要干燥和存儲納米顆粒，也不需要將固體納米顆粒分散到流體中去，因此避免了這些步驟所帶來的納米顆粒的團聚問題，提高了納米流體的穩定性。但該方法的缺點是只有蒸汽壓力較低的流體才適合采用單步法來制備納米流體。

兩步法指在第一步中先制備納米顆粒，第二步將納米顆粒分散在基本流體中。如Hong等[9]先通過化學蒸汽冷凝的方法制備鐵納米顆粒，然后將鐵納米顆粒分散在乙二醇中；Xuan等[10]利用兩步法制備了水基銅納米流體以及油基銅納米流體等。兩步法的優點是目前納米顆粒的制備已經實現商業化，可以很方便地購置。但由于納米顆粒具有很高的表面能，在利用兩步法制備納米流體時，納米顆粒在兩個步驟中都會發生不同程度的團聚[11]。納米顆粒的團聚會影響納米流體的換熱性能，甚至會導致納米顆粒從納米流體中析出、發生沉降或者堵塞換熱通道。

為了抑制納米流體中納米顆粒的團聚，提高納米流體的穩定性。通?？梢圆扇〕曁幚?、改變pH值、向納米流體中添加分散劑、修飾納米顆粒表面等手段來使納米流體保持長期的穩定[12]。Li 等[13]發現在pH=9.5時，向水基銅納米流體中添加分散劑能使納米流體的穩定性達到最佳。Murshed等[14]采用油酸和溴化十六烷基三甲銨(CATB)作為分散劑加入到水基TiO2納米流體中以達到提高納米流體穩定性的目的。Yu等[15]采用等離子體聚合的方法修飾金剛石納米顆粒表面，提高納米顆粒表面的親水性，從而提高納米流體的穩定性。楊雪飛等[16]通過在二氧化硅納米顆粒表面嫁接硅烷，利用空間位阻穩定性原理來提高二氧化硅納米流體的穩定性。

2.2 納米流體的物理性質

納米顆粒分散到基本流體中可以極大增強基本流體的熱導率。Choi 等[1]認為這是由于納米顆粒的熱導率高于基本流體；Xuan等[17]認為除此之外，納米顆粒在納米流體中的布朗運動會引起熱分散效應，也是導致納米流體熱導率高于傳統流體的原因。通常納米流體熱導率增強的原因主要有：基本流體中的導熱、納米顆粒內部的導熱、納米顆粒的布朗運動、納米顆粒表面吸附的液體層以及納米顆粒的團聚效應[18]。

低濃度的納米顆粒分散到基本流體中會引起基本流體粘度的輕微變化，而對納米流體粘度的研究相比納米流體熱導率的研究還很少。在低濃度下，往往利用Einstein公式[19]估算納米流體的粘度，基于Einstein公式發展的Brinkman 公式[20]則被廣泛應用于納米流體的數值模擬計算時針對納米流體粘度的估算。

Vafaei等[21]分析了碲化鉍納米顆粒的粒徑和濃度對氣-液表面張力的影響，發現隨著濃度的增大，納米流體氣-液表面張力減小，超過某一濃度后表面張力反而增大。在同一濃度下，2.5 nm比10.4 nm的納米顆粒對應的納米流體具有更小的氣-液表面張力。綜上，納米顆粒的濃度和尺度對氣-液表面張力具有重要影響。

3 納米流體對沸騰換熱的影響

3.1 納米流體的沸騰換熱系數

沸騰換熱系數是評價一種換熱工質在沸騰換熱過程中換熱速率的重要參數。當加熱表面在沸騰換熱過程中以恒定散熱功率向不同換熱工質中散熱時，如果加熱表面的散熱溫度越低，則表示對應的換熱工質沸騰換熱速率越大，其沸騰換熱系數越高。

目前國內外學者在對納米流體能否增強沸騰換熱系數這一問題上還存在廣泛爭論。早期Sonltani等[22]認為沸騰過程中氣泡的底部和加熱表面之間存在極薄的液體層，而納米顆粒在這層液體層內能增強該液層內部的導熱，提高加熱表面向沸騰氣泡內的熱量傳遞速率，從而使得納米流體的沸騰換熱系數比純流體的更高。Wen和Ding[23]則認為納米流體強化沸騰換熱并不僅僅只受到該種因素的影響。Kim等[24]提出在納米流體沸騰過程中，納米顆粒會沉積在加熱表面，增大加熱表面的親水性，這反而會使得加熱表面上的沸騰換熱系數降低。Li等[25]也認為納米顆粒會在氣泡底部富集(圖1)。Narayan等[26]則認為納米流體能否增強沸騰換熱系數，取決于納米顆粒的平均粒徑和加熱表面粗糙度的相對大小。如果納米顆粒的平均粒徑大于加熱表面的粗糙度，那么沉積在加熱表面上的納米顆粒會增大加熱表面的粗糙度，提高加熱表面的活化成核點密度，增強沸騰換熱系數(圖2[27]，圖3a[28])。而如果納米顆粒的平均粒徑小于加熱表面的粗糙度，那么沉積在加熱表面上的納米顆粒會填平加熱表面上的空穴，減小加熱表面的粗糙度，從而減小加熱表面的活化成核點密度，弱化沸騰換熱系數(圖3b[28])。但納米顆粒過度沉積到加熱表面上會導致加熱表面和換熱流體間導熱熱阻增大，使沸騰換熱系數減小。而且納米顆粒常常會以團聚體的形式沉積到加熱表面上[29]。

圖1 隨著氣泡的生長納米顆粒在氣泡底部富集的示意圖[25]Fig.1 Schematic of enrichment and deposition of nanoparticles at the bottom of vapor bubbles as vapor bubbles grow[25]

圖2 納米流體沸騰前(a)和沸騰后(b)沉積納米顆粒的加熱表面的SEM照片[27]Fig.2 SEM images of heating surface before (a) and after (b) boiling of nanofulids with nanoparticles deposition[27]

圖3 納米顆粒沉積在光滑加熱表面(a)和粗糙加熱表面(b)對沸騰換熱造成不同影響的示意圖[28]Fig.3 Schematic of different effects of nanoparticles deposition on smooth heating surface (a) and rough heating surface (b) on boiling heat transfer[28]

最近，Quan等[30]發現中等親水性的納米顆粒(接觸角為37°左右)沉積在加熱表面上會增大加熱表面的粗糙度，進而使加熱表面上的沸騰換熱系數增大；而強親水性的納米顆粒(接觸角為22°左右)沉積在加熱表面上并不會使得加熱表面粗糙度明顯增大，且會形成較厚的沉積層，增大納米流體和加熱表面之間的熱阻，惡化沸騰換熱系數(圖4)。

圖4 中等親水性納米顆粒 (a) 和強親水納米顆粒(b) 在加熱表面上沉積的照片[30]Fig.4 Photos of moderately hydrophilic nanoparticles (a) and strongly hydrophilic nanoparticles (b) deposition on heating surfaces[30]

除了沉積在加熱表面上的納米顆粒會影響沸騰換熱系數外，懸浮于納米流體中的納米顆粒也會通過影響沸騰氣泡對沸騰換熱系數造成重要影響。Vafaei等[21]就發現懸浮的納米顆粒會減小納米流體的表面張力，從而使納米流體中產生的沸騰氣泡尺寸更小，增強沸騰換熱系數。Tu等[31]也發現在水基Al2O3納米流體沸騰換熱實驗中產生的沸騰氣泡小于純水中產生的沸騰氣泡。Xu等[32]通過開展Al2O3納米流體的流動沸騰實驗，發現納米流體中產生的沸騰氣泡比純水中的更小，并提出這是因為納米顆粒分散在氣泡底部極薄的液體層內，增大了氣泡底部液體層內的壓力，促進了氣泡的脫離。該壓力即為Wen[33]提出的納米顆粒聚集在氣泡底部引起的結構分離壓力(圖5)。李啟明等[34]利用熱力學理論分析了納米流體沸騰換熱的成核過程，指出納米顆粒會在界面聚集，降低氣液界面自由能，因此納米流體內更容易成核。

Quan等[30]發現中等親水性的納米顆粒(接觸角為37°左右)會吸附到沸騰氣泡的界面上，抑制氣泡之間的合并，促進沸騰換熱系數的提高；而強親水性的納米顆粒(接觸角為22°左右)不會吸附到沸騰氣泡的界面上，也不會對沸騰氣泡的合并脫離等造成影響，因此不會促進沸騰換熱系數的提高(圖6)。Hu等[35]則發現隨著熱流密度的增加，石墨烯-乙二醇水納米流體的沸騰換熱系數增加，其存在納米流體最優濃度，使得沸騰換熱系數最大(圖7)。

圖5 納米顆粒在氣泡底部聚集引起結構分離壓力[33]Fig.5 Concentrated nanoparticles under vapor bubbles resulting structure disjoint pressure[33]

圖6 中等/強親水性納米流體以及純水中沸騰氣泡的圖片[30]Fig.6 Photo of vapor bubbles in strongly/moderately hydrophilic nanoparticles suspension and pure water [30]

圖7 不同石墨烯納米顆粒濃度下石墨烯-乙二醇水納米流體沸騰換熱系數隨加熱熱流密度的變化曲線[35]Fig.7 Variation curves of boiling heat transfer of graphene-ethylene glycol/water nanofluids with heating heat flux density under different concentrations of graphene nanoparticle[35]

3.2 納米流體沸騰換熱的臨界熱流密度

沸騰換熱的臨界熱流密度是衡量換熱工質最大換熱能力的重要參數。沸騰換熱的臨界熱流密度指當散熱表面上的散熱功率不斷提高直至達到某一臨界值時，加熱表面上迅速產生的大量沸騰氣泡來不及脫離加熱表面，合并成一層氣膜覆蓋在加熱表面上。這時加熱表面與換熱工質之間的沸騰換熱系數急劇下降，加熱表面溫度迅速上升，沸騰換熱狀態由核態沸騰變為膜態沸騰。因此，換熱工質的臨界熱流密度越高，表示該換熱工質能夠承受的散熱功率越高。

目前國內外學者的研究結果一致表明納米流體的臨界熱流密度高于傳統流體。影響納米流體臨界熱流密度的因素主要包括納米顆粒的粒徑、納米顆粒濃度、納米流體表面張力、沉積到加熱表面的納米顆粒沉積層。Moreno等[36]發現3 nm的納米顆粒對應的納米流體的臨界熱流密度相比純流體增大了31%，而隨著納米顆粒粒徑的增大，納米流體的臨界熱流密度相比純流體的增長幅度逐漸減小。You等[37]通過實驗研究發現隨著水基Al2O3納米流體的濃度從0.001增長到0.025 g/L，納米流體的臨界熱流密度不斷增大，最大增幅可達200%。Jeong等[38]發現隨著磁性納米流體濃度從1×10-6增大到1×10-4，納米流體的臨界熱流密度增幅從160%增至240%。納米流體的表面張力也是納米流體臨界熱流密度增長的重要影響因素。Kumar和Milanova[39]通過實驗研究發現納米流體和基本流體表面張力的不同是延遲碳納米管納米流體臨界熱流密度到來的原因。

沉積到加熱表面上的納米顆粒沉積層主要通過改變加熱表面的親水性和毛細作用影響納米流體的臨界熱流密度。Kim等[40]指出納米顆粒沉積到加熱面上后增大了加熱面的親水性，從而使得納米流體的臨界熱流密度比純流體的更高。Zhang和Jacobiy[41]也得到了類似的結論(圖8)。Park等[42]研究了水基Al2O3納米流體和石墨烯納米流體的臨界熱流密度，并指出與臨界熱流密度相關的臨界波長的改變是臨界熱流密度增大的主要原因。僅僅靠加熱表面親水性的增強還解釋不了納米流體臨界熱流密度比純流體大大增強的現象。Kim 等[43]指出納米顆粒在加熱面上的沉積層具有毛細吸液作用，能將更多的液體吸引到氣泡底部的干斑區域，抑制氣泡底部干斑的生長，延緩臨界熱流密度的到來(圖9)。近年來，Quan等[30]提出納米顆粒的接觸角也能對納米流體的臨界熱流密度產生重要影響。中等親水性的納米顆粒(接觸角為37°左右)能吸附在氣泡界面上，抑制氣泡合并成覆蓋在加熱表面上的氣膜，延緩納米流體膜態沸騰換熱的到來；而強親水性的納米顆粒(接觸角為22°左右)卻因為不能吸附到氣泡界面上，不能抑制氣泡合并，不能延緩納米流體膜態沸騰換熱的到來。

圖8 Al2O3納米顆粒在加熱表面上沸騰沉積的SEM照片及其與加熱表面接觸角[41]Fig.8 SEM images of Al2O3 nanoparticles deposition on heating surfaces after boiling heat transfer and the contact angle between Al2O3 nanoparticles and the heating surface[41]

圖9 納米顆粒沉積層的毛細作用對氣泡底部干斑的影響[43]Fig.9 Capillary effects of nanoparticles deposition on dry spot under a vapor bubble[43]

3.3 納米流體沸騰換熱的理論和數值研究

由于納米流體沸騰換熱的復雜性，目前對納米流體強化換熱的理論和數值研究主要集中于納米流體的單相對流或導熱的研究。對納米流體強化沸騰換熱的理論和數值模擬研究還很少，主要是通過修改傳統流體的沸騰換熱理論模型或數值模型中流體的物性參數來實現。如Behroyan等[44]、Mohammed等[45]以及Salehi和Hormozi等[46]利用計算流體力學方法(CFD)將納米流體處理成純流體或者混合流體來研究納米流體的沸騰換熱性能。Abedini等[47]采用有限體積法，將納米流體處理成純流體研究了水基Al2O3流體的沸騰換熱性能。Wang和Wu[48]采用移動顆粒半隱式方法研究了納米顆粒濃度對氣泡脫離特性的影響。

4 結 語

納米流體作為一種新型換熱工質，與傳統流體相比除了易于制備、高熱導和良好的穩定性之外，也能對沸騰換熱起到強化作用，特別是納米流體在低濃度下就能大幅提高沸騰換熱的臨界熱流密度。納米流體對沸騰換熱的影響主要是通過流體中的納米顆粒和沉積到加熱表面上的納米顆粒沉積層兩方面產生的。流體中的納米顆粒影響沸騰氣泡的脫離特性、氣泡的形態以及氣泡之間的合并，從而影響沸騰氣泡從加熱表面帶走的熱量和臨界熱流密度下加熱表面氣膜的形成，最終會影響沸騰換熱的換熱系數和臨界熱流密度。而沉積在加熱表面上的納米顆粒會改變加熱表面的潤濕性、粗糙度和毛細作用，從而影響加熱表面上的活化成核點密度、加熱表面與流體之間的導熱熱阻、氣泡脫離特性以及氣泡底部干斑的生長，最終影響沸騰換熱系數和臨界熱流密度。

但目前納米流體沸騰換熱的實驗研究結果可重復性不高，導致不同研究者對同一納米流體研究得到的實驗結果不盡相同，甚至互相矛盾，這主要是以下原因引起的：① 由于納米流體制備方法的不同或者即使采用同一種制備方法，往往會導致納米顆粒在納米流體內的團聚程度不一致，納米顆粒在納米流體內并不是單分散的。② 為了保持納米流體的穩定性，常常需要改變流體的pH值、或修飾納米顆粒表面或向納米流體中添加分散劑，這為實驗研究納米流體對沸騰換熱的影響帶來了其他因素的影響。③ 即使同一納米流體在沸騰換熱過程中，納米顆粒會隨機沉積在加熱面上，導致不同研究者在實驗過程中得到的納米顆粒沸騰沉積層也不盡一致，這增加了實驗的不確定性，從而使得到的納米流體對沸騰換熱影響的結論互相矛盾。解決在實驗研究納米流體對沸騰換熱的影響中出現的以上問題將能更清楚地揭示納米流體影響沸騰換熱的影響機理。另外，在實際應用方面，納米流體強化沸騰換熱的持久性較差。這是因為在沸騰換熱過程中，納米顆粒不斷沉積到加熱表面上，使流體中的納米顆粒濃度不斷減小，同時導致加熱表面的導熱熱阻不斷增大。

目前對納米流體強化沸騰換熱的研究手段大部分為實驗研究。建立系統有效的納米流體沸騰換熱理論模型和納米流體沸騰換熱的數值模擬研究亟待開展，以指導納米流體沸騰換熱的實驗研究和納米流體強化沸騰換熱的工程應用。