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，體積量同設置三種規格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，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，發現在基液中添加高導熱的納米粒子，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，增強了布朗運動，有利于整個體系保持穩定懸浮狀態。

南京理工大學宣益民[2]等率先在國內開展納米流體相關研究，討論了雷諾數、提子體積份額對納米流體導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變化。

1、散熱器幾何結構模型

汽車散熱器是汽車水冷發動機冷卻系統中不可缺少的重要部件，正朝著輕型、高效、經濟的方向發展。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，冷空氣則因為吸收冷卻液散出的熱量而升溫，所以散熱器性能的優劣能夠對冷卻系統冷卻性能的發揮產生較大影響。按照散熱器中冷卻液的流動方向有橫流式和縱流式，本文構建了橫流式的散熱器結構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10，如下圖1所示，已省略了散熱帶、安裝板等于冷卻液流經途徑無關的部分結構。

2、散熱器模型網格劃分

采用四面體結構化網格離散物理模型，在進一步對散熱器的幾何結構處理后根據各位置結構的不同需求對面網格尺寸大小進行調整，如冷卻液流通的散熱片內腔是造成散熱器壓力損失最多的位置且內腔空間狹小，因此需細化散熱片處的網格尺寸，下圖2是散熱器計算區域體網格圖，網格總數120萬。

3、計算邊界條件及控制方程

環境溫度298K，大氣壓力約為101.325Kpa，入口邊界為速度邊界，納米流體冷卻液進口速度分別為0.931m/s，冷卻液進口溫度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，并假定流動充分發展，即出口邊界的法向方向上的一階導數為零壁面為無滑移標準絕熱壁面邊界，結果的收斂性好。

4、計算結果分析

在數值模擬中，將納米流體（分別為氧化鋁、氧化銅）及基礎水液體看作一維單相流，代入邊界條件及相應的物性參數，計算結果如表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，體積分數從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%，對應粘度增量分別是5.3%、2.6%。納米顆粒在冷卻液的循環流動中隨著時間的增加出現粒子沉積的現象，而沉積量與增加的粒子量并正比例線性關系，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，加劇布朗運動，沉積的粒子隨著布朗運動的增強又部分回到液體中，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%，對應粘度增加率分別為1.5%、2.1%。通過比較增量發現Al2O3-H2O納米流體也有同樣密度與粘度變化規律。

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，顆粒直徑增大增強了與附近顆粒的吸引力，在流動過程中碰撞次數增加，使得粒子沉積現象得到緩解，液體整體粘度增幅下降。因此，納米粒徑增大可增強布朗運動降低液體粘度增幅。同時又比較同樣粒徑同體積分數的兩種納米流體粘度可發現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，增加了流體內部的粒子碰撞次數，加劇了同等邊界條件下的布朗運動，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：

[1]周陸軍，宣益民，李強.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.納米流體導熱系數研究[J].上海第二工業大學學報，2006，23（3）：200-204.