SiO2-水納米流體在波壁管內流動特性的實驗研究

徐 淼,崔文政,白敏麗,卞永寧,張 亮,呂繼組

(1.大連理工大學能源與動力學院,遼寧大連 116023;2.大連理工大學工程力學系,遼寧大連 116023)

0 引 言

目前,全球工業飛速發展,能源問題日益突出,熱交換系統的傳熱強度和傳熱負荷逐漸增大,普通的風冷和水冷已經很難滿足其散熱要求,低導熱系數的傳熱工質已經成為研究新一代高效傳熱冷卻技術的主要障礙,將來必須要從工質本身入手研制導熱系數高、傳熱性能好的新型高效換熱工質。

美國Argonne國家實驗室的Choi[1]在1995年首先提出納米流體的概念,即將適量金屬或者非金屬的納米粒子和液體通過一定方法混合后形成的均勻懸浮液,添加納米粒子后,液體的導熱性能得到顯著提高,具有優良的熱力學性能,在流動換熱方面有著巨大的應用前景。宣益民等[2-3]對Cu-水納米流體在常規管和小通道扁管內的流動和對流換熱特性進行了研究,發現添加納米粒子可增大液體的管內對流換熱系數,但其流動阻力并未明顯增大,表明在水中添加少量納米粒子不會引起附加的阻力損失。戴聞亭等[4]對細圓管內納米流體的流動特性和對流換熱特性進行了研究,發現納米流體的流動阻力隨著溫度、粘度以及液體流動狀態的變化,也會有一定的影響。

目前關于納米流體流動換熱特性的研究較多[5-6],但均未從可視化角度揭示其強化機理,筆者將通過可視化的方法對納米流體在波壁管內流動特性進行說明。由于波壁管的結構特點,管內流體易于產生流動分離,實驗研究發現,隨著雷諾數的逐漸增大,流體流動出現了3種不同的流動形態,即層流、過渡流和湍流。

實驗首次將納米流體應用于波壁管中,對SiO2-水納米流體在波壁管內進行流動阻力特性及可視化的實驗研究,旨在探索不同質量分數對SiO2-水納米流體流動阻力特性的影響及流態轉變的規律,這一研究對于揭示納米流體強化傳熱機理具有重要意義。

1 納米流體的制備

在納米流體制備過程中,如何使納米顆粒均勻穩定的分散在液體介質中,形成分散性好、穩定性高的納米流體是十分關鍵的。一般來說,有3種方法[7]用來解決納米流體的懸浮穩定性問題：一是要使用表面活性劑和分散劑;二是使用超聲振動;三是要改變懸浮液的pH值。所有這些方法的目的在于通過改變粒子的表面活性,抑制粒子團聚的發生,以獲得懸浮穩定的納米流體。實驗所用的納米流體是在去離子水中添加不同質量分數的SiO2粉末,粒徑為20～40nm,然后加入相應份額的分散劑,最后經過60min的超聲乳化制備而成的,配制的質量百分數為2%的SiO2-水納米流體在室內環境下放置10天后(圖1所示)沒有發現明顯分層現象。

圖1 質量分數2%的SiO2-水納米流體照片Fig.1 Images of 2%SiO2-water nanofluids

根據實驗要求,對質量分數為2%的SiO2-水納米流體進行稀釋,分別配制質量分數為0.5%、1%、1.5%、2%的SiO2-水納米流體待用。

2 SiO2-水納米流體粘度測量

2.1 測量儀器

測量粘度的儀器采用美國BROOKFIELD公司生產的DV-II+Pro型錐板式粘度計,配套控溫設備為美國BROOKFIELD公司 TC-102D-230(單熱型)恒溫油浴。錐板粘度計的測量原理是通過一個經校驗過的鈹-銅合金的彈簧帶動一個轉子在流體中持續旋轉,旋轉扭矩傳感器測得彈簧的扭變程度即扭矩,它與浸入樣品中的轉子被粘性拖拉形成的阻力成比例,扭矩因而與液體的粘度也成正比,所以可以通過測得扭矩得到試樣的粘度。試樣溫度可通過恒溫油浴槽精確控制,其溫度波動范圍為±0.1℃。

測量樣品的質量分數分別為0.5%、1%、1.5%、2%的SiO2-水納米流體。

2.2 測量結果及分析

測量結果如圖2所示,相同溫度條件下SiO2-水納米流體粘度隨著質量分數的增加而增大,相同質量分數的納米流體,粘度隨著溫度的升高而減小,且在全溫度段內變化趨勢相同。室溫20℃時,質量分數為0.5%、1%、1.5%、2%的 SiO2-水納米流體粘度相對于去離子水的粘度分別增加了 3.9%、7.9%、13.8%和18.8%。

圖2 SiO2-水納米流體粘度Fig.2 Viscosity of SiO2-water nanofluids

3 波壁管內流動測試

3.1 波壁管測試系統技術參數

實驗研究所用測試段由入口段、波壁管及出口段三部分組成,其中入口段和出口段的直徑均與波壁管的最大直徑相同。入口段的主要作用是使進入波壁管的流動獲得充分的發展空間,以消除入口效應。為了便于觀察流體流動情況,整個波壁管全部以高度透明、易于加工的有機玻璃材料制成。如圖3所示,軸對稱的波壁管由14個完整的波段組成,每個波段波長λ=14mm,壁面振幅2a=3.5mm,最大直徑Dmax=10mm,最小直徑Dmin=3mm。

研究所用定常流場實驗系統主要由蓄水箱、離心泵、轉子流量計、測試段、及熱交換器等構成,如圖4所示。工作流體由離心泵從蓄水箱中抽取,其凈流量通過轉子流量計控制;在出口端設置溢流槽以消除重力的影響,從而保證流動狀態由層流向湍流轉捩時不受外界條件的干擾,能夠觀察到穩定的流動過程,工作流體的溫度由熱交換器維持恒定在20℃。

圖3 測試段及各模塊的幾何尺寸Fig.3 Dimensions of the wavy-walled tube and details of employed modules

圖4 定常流場實驗流程簡圖Fig.4 Experimental setup for steady flow

3.2 沿程阻力測量系統

在沿程阻力的實驗研究中,利用U型管壓差計對流路兩端的壓力差進行測量。測量中將U型管壓差計分別與流路入口和出口的測試點相連,如圖5所示。進入測試段前的入口長度為1130mm,入口效應可以忽略不計,U型管內裝有四氯化碳(CCl4)的指示液。當流體流入U型管內,如果管兩端的壓力不等,則指示液就在U型管兩端出現高差Δh,利用Δ h的數值,再根據靜力學基本方程式,就可算出液體兩點間的壓力差。

圖5 壓力差測量系統Fig.5 Pressure drop measurement system

3.3 流動可視化拍攝系統

流動可視化拍攝系統如圖6所示,為了獲得軸對稱的截面內流體的流動情況,在蓄水箱中添加直徑為40μ m左右的鋁粉,使之作為示蹤粒子與已經配置好的SiO2-水納米流體混合制成工作流體。用一個10W的應急燈,使其光源沿一條平行于對稱軸方向的窄縫射入所要觀察的截面,然后用一臺與光敏傳感器相連的數碼相機來獲取流體跡線的可視化照片,從而記錄流動的流型。

圖6 流動可視化拍攝系統示意圖Fig.6 Flow visualization system

4 實驗結果和討論

4.1 實驗數據處理

與壓力降有關的摩擦系數的公式定義如下

式中,L為兩測壓孔間的距離,且L=330mm;Δp為流路全長的壓力差,在此表示為

式中 ,ρ′是 20℃時 CCl4的密度,ρ′=1595kg/m3;ρ為工作流體的密度,可以用天平稱量法獲得。管內流速u的計算公式如下

式中,QS為定常流的流量,Dmax為管道最大直徑。

波壁管內流體流動的雷諾數可以表示為

式中,u為流體在最大橫截面處的速度,ν為流體的運動粘度,ρ為工作流體的密度,μ為工作流體的動力粘度。

4.2 定常流場流動可視化

為了能夠對管內的流體流動結構和流動特性進行全面考察,通過可視化實驗得到了定常流場下質量分數分別為1%和2%的SiO2-水納米流體與去離子水的對比流型。根據對流體層流、過渡流和湍流的仔細觀察,從下游第5個波段一直到后面的波段,流動行為幾乎相同,意味著當流動進入到第5個波段以后可以被認為是充分發展的。因此,后面所有的可視化實驗結果都攝自第11個波段。通過可視化照片觀察發現：不同質量分數的納米流體,即使在相同雷諾數的條件下,產生旋渦的位置和旋渦尺寸大小也略有不同,而旋渦是由于邊界層分離造成的,可借以觀察流體混合強度即流場縱向均勻性。

如圖7所示,當Re=78時,納米流體與去離子水在波壁管內中心主流非常穩定,兩邊旋渦對稱,都處于層流狀態,但仔細觀察發現,納米流體的旋渦要比去離子水的旋渦中心略有提前,原因可能是由于納米流體粘度略大于水的粘度,不容易產生流動分離。當Re=138時,中心主流受到擾動,指示液所形成的流線開始擺動成為不規則波浪形,這種擺動反映了流動不僅具有沿管軸的速度,而且還生成了垂直管軸的分速度,呈現出非周期性的不穩定流動特征,進入過渡流狀態,可以明顯看出相同雷諾數條件下,納米流體的縱向運動相對于去離子水顯得更加劇烈,質量分數為2%的SiO2-水納米流體劇烈程度又明顯高于1%SiO2-水納米流體。當Re=238時,中心主流流動都出現混亂,主流與旋渦之間發生了明顯的流動交換,整個流動,完全沒有秩序,因而都處于湍流狀態。通過可視化實驗可以看出,納米流體與水的不同之處在于,納米流體在波壁管內流動顯得更加活躍,縱向混合更加均勻,旋渦數量增多,質量傳遞特性增強,主要原因是內部納米粒子的微運動促使流體均勻性更好,納米流體的質量分數越高,粒子效應就越明顯。

圖7 SiO2-水納米流體流動可視化Fig.7 Flowvisualizations of SiO2-water nanofluids

4.3 實驗結果分析

實驗中利用沿程阻力測量系統,分別測量了去離子水和納米粒子質量分數為0.5%、1%、1.5%、2%的SiO2-水納米流體在Re=20～900范圍內的壓力差。結果如圖8所示,納米流體的壓力差隨著雷諾數的增加而增大,在相同雷諾數的條件下,納米流體的質量分數越大,壓力差就越大。

圖8 壓力差與雷諾數的關系Fig.8 Relationship between pressure drop and Reynolds number

根據實驗測得的壓力差數據,結合公式(1),可以計算出納米流體在波壁管內的摩擦系數,如圖9(a)所示,摩擦系數曲線很明顯分為三個趨勢,以水為例,在Re＜115時的低雷諾數區域,摩擦系數隨雷諾數增加而減小;在115＜Re＜195時,摩擦系數隨雷諾數的增加經過最低點而逐漸上升;當Re＞195時,隨雷諾數的增加,摩擦系數變化較小。由此可以判定,水在波壁管內Re＜115時的流動范圍為層流區域;Re＞195的流域為湍流流域;115＜Re＜195的流動范圍即為過渡流流域。對于納米流體在波壁管內的流動趨勢整體上看與水相似,基本上也分為3個區域,只不過是不同質量分數的納米流體轉捩點不一致,質量分數為0.5%的SiO2-水納米流體轉捩點為Re=90,隨著質量分數的的提高,轉捩點有向后移動的趨勢,但是都比去離子水的轉捩點提前。

圖9(b)所示為層流區流體摩擦系數隨雷諾數變化曲線圖,對于納米流體來說,其摩擦系數均比水大,并且相同雷諾數下高質量分數納米流體(2%)的摩擦系數要比低質量分數(0.5%)的摩擦系數大,表明在波壁管層流段范圍內,納米流體摩擦系數隨質量分數的提高有增加的趨勢。可能的原因是在層流段,因為流體流速較低,摩擦系數隨壁面剪切力影響較大,而壁面剪切力與流體動力粘度有直接關系,所以摩擦系數隨著流體動力粘度增加,也就是質量分數的增加而增大。

圖9 摩擦系數與雷諾數的關系Fig.9 Relationship between overall friction factor and Reynolds number

隨著雷諾數的提高,流動開始向湍流區過渡,如圖9(c)所示,在過渡區內流體摩擦系數隨著雷諾數的提高而增大,相同雷諾數下納米流體的摩擦系數依然略高于水的摩擦系數,但是不同質量分數的納米流體摩擦系數變化特性不明顯;當Re＞195時,流動進入湍流區,如圖9(d)所示,在湍流區內流體摩擦系數隨著雷諾數的提高變化不大。

5 結 論

全面闡述了SiO2-水納米流體在波壁管內的流動特性,通過流場可視化照片發現相同雷諾數條件下,納米流體的混亂程度明顯高于去離子水,納米流體的質量分數越高,粒子效應越強烈,混亂程度越明顯。通過對波壁管內納米流體摩擦系數測定,發現在層流區內摩擦系數隨納米流體質量分數的提高而增大,相同質量分數的納米流體,摩擦系數隨著雷諾數的增大而減小;在過渡流和湍流區內納米流體的摩擦系數隨質量分數增加變化不大。

[1] CHOI S U S.Enhancing thermal conductivity of fluidswith nanoparticles[C].Developments and applications of non-Newtonian flows.New York：ASME Press,1995,66：99-103.

[2] XUAN Yi-min,Li Qiang.Investigation on convective heat transfer and flow features of nanofluids[J].Heat Trans,2003,125(1)：151-155.

[3] 李強,宣益民.小通道扁管內納米流體流動與傳熱特性[J].工程熱物理學報,2004,25(2)：305-307.

[4] 戴聞亭,李俊明,陳驍,等.細圓管內納米顆粒懸浮液流動特性的實驗研究[J].上海理工大學學報,2003,25(2)：121-124.

[5] EASTMAN J A,CHOI S U S,LI S.Development of energy-efficient nanofluids for heat transfer applications[R].Argonne National Laboratory Report,2001

[6] 李強,宣益民.銅-水納米流體流動與對流換熱特性[J].中國科學,2002,32(3)：331-337.

[7] 宋曉嵐,吳雪蘭,曲鵬,等.納米SiO2分散穩定性能影響因素及作用機理研究[J].硅酸鹽通報,2005,1：3-7.