納米流體強化微尺度換熱的研究進展

王 振，武衛東，周志剛

(上海理工大學制冷與低溫工程研究所，上海 200093)

隨著科技的不斷發展，熱交換系統的換熱負荷日益增大，同時對換熱設備的尺寸要求也越來越嚴格。在某些特定場合，迫切需要體積小、重量輕、傳熱效率高的熱交換設備，如高密度微電子器件的冷卻及微電子機械系統(MEMS)內部傳熱問題等，于是就產生了微細尺度傳熱問題［1-3］。在微尺度下，流體的傳熱規律已明顯不同于常規尺度，傳統的傳熱傳質理論及實驗方法已經不能很好地解決微觀尺度下的實際問題。這主要是因為當物體的特征尺寸縮小至與載體粒子的平均自由程同一量級時，基于連續介質的一些宏觀概念(粘性系數、導熱系數等)和規律(Navier-Stokes方程、Fourier定律等)將不再適用［2］。所以，近年來，大量的學者開始探索微細尺度下的傳熱問題并取得了突破性進展［4］。

自從納米流體被美國Argonne國家實驗室的Choi等［5］提出后，便引起了大批學者的關注，并開始探索將納米流體應用于強化傳熱領域中。與傳統的純工質相比，納米流體具有較好的導熱系數［6-7］和單相對流系數［8-9］，為了獲得更高的傳熱系數，近年來人們開始將納米流體應用于微尺度換熱器中，納米顆粒的加入不僅使換熱效果顯著提高，而且相比于毫微米顆粒，具有更加均勻、穩定的優點，不易產生磨損和堵塞。但相比于納米流體在常規尺度下的傳熱特性研究而言，其在微尺度中的強化傳熱研究還只是剛剛起步。

本研究主要從實驗研究、機理分析和數值模擬三個方面對納米流體強化微尺度換熱特性的研究進展進行闡述。

1 實驗研究

目前，將納米流體應用于微尺度換熱器的實驗研究主要集中于微通道、微槽群蒸發器、微槽道熱管及微細管等。

Mohammed等［10］采用體積分數分別為 1% ～5%的Al2O3-H2O納米流體作為冷卻介質，對微通道換熱器的性能進行了分析。結果表明，當納米流體的體積分數增大時，矩形微通道換熱器的總熱阻減小，壓降很小，換熱性能將提高;但當體積分數增大到5%時，卻幾乎與純水作冷卻介質時的換熱系數相當。因此，當采用Al2O3-H2O納米流體作為冷卻介質，并非體積分數越大越好，應從熱阻、壓降、溫度曲線、摩擦系數等綜合考慮，尋求最佳的體積分數。

張燕等［11］采用CNT納米流體作為冷卻介質，發現CNT的加入能大幅提高冷卻介質的對流傳熱特性，并且不會對微通道冷卻器進出口的壓降產生明顯的影響。

Dorin Lelea［12］在研究了納米顆粒濃度對微通道換熱性能影響的同時，研究了納米顆粒直徑對換熱效果的影響。他在實驗中采用直徑分別為13，28，47 nm的Al2O3納米顆粒，實驗結果顯示，添加納米顆粒能提高換熱性能，并且隨著納米顆粒直徑的增大，換熱效果會逐漸降低。

王維等［13］以1%的醋酸作為分散劑制備了水基Al2O3納米流體，研究了其在微槽道中的強化換熱特性。研究發現，水基Al2O3納米流體的傳熱系數隨質量流速的增大而略有上升，而純水的傳熱系數隨質量流速的增大而幾乎無變化。相比之下，熱流密度對水基Al2O3納米流體和純水的傳熱系數的影響則都比較大。

刁彥華等［14］用 R141b取代水作為基液，添加TiO2納米顆粒制成體積濃度為0.001%，0.01%，0.1%的納米流體，并對其在微槽道結構蒸發器上的強化換熱特性進行了實驗研究。實驗表明，體積濃度對換熱特性影響較大，體積濃度為0.001%和0.01%的納米流體的傳熱特性曲線與純工質接近，且換熱系數隨著納米流體體積濃度的增大而增大，而當體積濃度增大到0.1%時則出現了傳熱惡化的現象。

熊建國等［15］對水基氧化銅納米流體在平板熱管微槽道表面的傳熱特性進行了研究。實驗發現，存在一個最佳的濃度1.0%使納米流體能最大程度地強化傳熱，但根據Rohsenow公式分析，由于納米流體宏觀物性參數對沸騰換熱影響很小，因此認為是納米流體濃度的變化導致了微觀運動的變化，比如納米粒子的布朗運動。在大氣壓下，濃度為1.0%的納米流體的換熱系數提高了40%，臨界熱流密度(CHF)提高了50%，但當壓力降至7.2 kPa時，換熱系數和CHF則增加了1倍。覃超等［16］將納米流體換為多壁碳納米管懸浮液(MWNT)后同樣發現，較低的壓力對蒸發換熱的強化率和最大熱流密度的強化率是有提高作用的。在一定的壓力下，當熱流密度較大時，MWNT濃度對換熱特性的影響并不是單調性的，同樣存在一個最佳濃度2.0%，此時換熱熱阻減小約50%;當熱流密度較小時，添加MWNT效果不明顯，這是因為MWNT還未在水中充分懸浮。

朱建軍等［17］實驗研究了碳納米管(CNT)懸浮液在微細管中的強化換熱特性。實驗結果表明，納米流體在微細管中的流動通常都屬于低Re流動，在較低的Re數下，納米流體的Nu數隨Re的增大而顯著增大，當Re=65時，納米流體的Nu數為純水的10倍，此時強化傳熱的效果最顯著。但是CNT納米流體的泊肅葉數(Po=f×Re，其中f為沿程阻力損失，對于圓管內不可壓縮粘性流體層流，Po=f×Re=64)僅為達西公式計算值的1/2，而蒸餾水的值與理論計算值符合很好。

2 機理分析

納米流體強化微尺度換熱器換熱特性的機理分析應該包括兩個方面:第一，納米顆粒本身對換熱特性的強化;第二，通過納米顆粒在換熱過程中改變換熱結構的表面特性間接對換熱特性的強化。

2.1 納米顆粒本身對換熱特性的強化

在納米流體中，納米粒子受范德瓦耳斯力、粒子表面雙電層引起的靜電力以及驅動粒子做布朗運動的布朗力等三個力作用［18］。在這些力的作用下，納米粒子表現出了一些特定的行為和運動狀態，而納米流體強化傳熱的機理除了固體粒子導熱系數遠比液體大之外，還與納米粒子所表現出的這些行為和運動狀態密切相關，這主要包括納米顆粒的布朗運動，顆粒-液體界面上存在的類固體結構的液相分子層，納米顆粒團簇的形成和移動等［19］。這就導致了基礎液體結構的變化，增強了混合物內部的能量和動量交換，使導熱系數增大。

劉振華等［15-16］在研究水基氧化銅納米流體和碳納米管懸浮液(MWNT)強化平板熱管微槽道表面換熱時發現，在低壓情況下，蒸發換熱強化率和最大熱流密度強化率都有所提高，但是對此現象的發生機理還不很明確，推測是因為在壓力降低的情況下，水分子和納米顆粒間的束縛力減小，使布朗運動加強。

白敏麗等［20］對液態氬基銅納米流體和純基礎流體的納米尺度Couette流進行模擬。發現靠近納米顆粒的表面處氬的密度分布很高，而遠離納米顆粒氬的密度減小并最終保持不變，這說明納米顆粒周圍存在吸附層。研究表明，吸附層內氬的密度較大，類似于固體，從而使吸附層的導熱系數遠遠大于液態氬的導熱系數。另外一方面，吸附層的存在也相當于增大了納米顆粒的有效直徑，增強了擾動作用。L等［21］通過微觀的分析，同樣發現了在納米流體表面存在類固體結構的液相分子層，而且納米顆粒自身存在旋轉運動和平移運動，加強了湍流效果。

另外，部分學者還對磁納米流體強化微尺度換熱進行了研究。王二利等［22］制備了質量分數為0.5%的Fe3O4-水磁納米流體，并將其應用在矩形微槽道中。實驗發現，施加磁場后磁納米流體的飽和沸騰傳熱系數增大，最大提高5%左右。李強等［23］研究發現，當外加磁場時，磁流體內磁性粒子會沿磁場方向形成鏈狀結構，而磁流體的傳熱特性正是受這種磁性粒子的不均勻分布影響。

2.2 納米顆粒改變換熱表面特性對換熱特性的強化

刁彥華等［14］以TiO2/R141b納米流體為工作介質，研究微槽道結構蒸發器的強化換熱特性時發現，在微槽道的表面形成了一多孔納米顆粒沉積層，而正是這個沉積層的存在增大了換熱面積，進而起到了強化換熱的效果。但是，當納米流體的體積濃度增大到0.1%時，卻出現了傳熱惡化的現象，分析認為當納米流體濃度過大時，沉積層變厚，此時流體的流動阻力將增大，進而影響到納米流體的對流傳熱。

劉振華等［24］在研究水基氧化銅納米流體強化水平軸向圓管型微槽道熱管換熱特性時發現，納米顆粒的加入改變了銅壁表面的接觸特性。當尺寸較小的納米粒子在管內流動時，會有部分納米粒子鑲嵌在銅表面縫隙中，這樣就降低了表面粗糙度，也大幅降低了氣液表面張力和固液接觸角，使得液體更容易在微槽中擴展，而且增大了毛細力極限。這樣就提高了軸向微槽道熱管的傳熱極限。

3 數值模擬

目前，關于納米流體強化微尺度換熱的數學計算研究還不是特別充分，尤其是預測納米流體熱導率的數學模型都在一定程度上存在著缺陷，并不能很好的揭示納米流體的導熱機理。

早期的計算納米流體熱導率的模型是基于固液混合體系常規導熱系數數學模型的，如Maxwell模型［25］、Jeffrey 模型［26］、Davis 模型［27］、Hamilton ＆Crosser模型［28］、Bruggeman 模型［29］等。這些模型僅考慮了固相、液相導熱系數和固相粒子的份額，更加適用于毫米級或微米級的顆粒，而對于納米顆粒而言，僅這三個參數來計算并不能得到很好的結果。近年來，部分學者在原有的數學模型基礎上考慮到納米流體的尺度效應而做出了改進。

宣益民等［30-31］考慮到納米粒子的布朗運動，建立了DLCA模型，并用分維數來表征納米顆粒的團聚結構，模擬出了納米流體的導熱系數公式，應用該公式計算得到的理論值與實驗結果比較接近。

Yu等［32］在Maxwell模型的基礎上，考慮了納米顆粒表面的類固體結構的液相分子層得到了修正后的公式，該公式的計算結果與Cu-乙二醇及CuO-乙二醇納米流體的實驗結果一致。

王補宣等［33］考慮了顆粒的團聚效應，運用有效介質近似和分形理論討論了納米流體的有效導熱系數，計算結果表面，該數學表述可以反映低濃度納米顆粒懸浮液有效導熱系數的變化趨勢。

Keblinski等［34］綜合考慮了納米顆粒的布朗運動、納米顆粒表面的液相分子層、納米顆粒的團聚效應等，利用分子動力學模擬研究了納米流體強化傳熱的機理。

宣益民等［35-36］建立了納米流體的傳熱模型，該模型基于晶格-Boltzmann方法，模擬了納米流體在進行傳熱過程時的行為狀態。計算表明，高溫條件下，布朗運動的加劇有效地減緩了納米粒子的凝聚和沉降，更有利于納米流體的強化傳熱。

Salman等［37］采用有限體積法和SIMPLE算法，對 Al2O3、CuO、SiO2、ZnO 等納米流體在一個直徑為50μm，傳輸長度為250μm的二維微管中的流動傳熱特性進行了模擬。計算結果表明，SiO2納米流體具有最高的Nu數，其次是ZnO、CuO和Al2O3。這說明，納米流體的種類和屬性對傳熱特性也有一定的影響。

另外，還有部分學者對納米流體在微尺度下的傳熱過程中剪切速度對傳熱特性的影響進行了探索。Sun等［38］計算了高剪切率下納米流體的導熱系數，發現其有效導熱系數隨剪切率的增加而線性增加。白敏麗等［20］也應用分子動力學方法對納米流體在不同剪切素下的納米尺度Couette流進行了模擬統計分析，發現納米顆粒存在旋轉和平移運動，造成速度分布成非線性的，加強了湍流效果。

4 結束語

目前，關于納米流體強化微尺度換熱問題的研究還處于起步階段，無論是在納米顆粒的種類還是微尺度換熱器的種類上都存在很多的局限性。學者們雖然做了大量的實驗研究，但是相互間的實驗結果卻存在著差異甚至是不一致的地方。另外，由于納米顆粒的尺度極小，對其微觀運動的觀察研究較困難，這也導致了目前對于納米流體強化換熱的微觀機理研究還不是太多。今后，可以從以下這幾個方面進行更加深入的研究:

(1)改進完善實驗方案，擴大納米流體和微尺度換熱器的種類范圍，盡量保證實驗的準確性，實驗模型應具有針對性，應該更加符合實際應用。

(2)借助更加先進的實驗儀器和觀測手段，著重觀測納米流體的微觀行為以及運動狀態，從微觀角度分析納米流體強化微尺度換熱的機理。

(3)探索納米流體強化微尺度換熱的影響因素，建立和完善相應的數學模型，盡量做到具有統一性和普適性。

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