Al2O3納米流體沸騰傳熱臨界熱流密度影響因素研究進展

何薇薇,杜孟華,井 雯,許 玉

(南京航空航天大學 飛行器環境控制與生命保障工業和信息化部重點實驗室，江蘇 南京 210016)

隨著高性能飛機電子設備和高能武器的不斷增多以及功率的不斷增大，機載設備的熱負荷不斷增加。由于溫度越高，設備的可靠性越低，因而，需要對它們進行高效的冷卻，以保證其穩定可靠的運行。沸騰傳熱作為一種新型強化換熱方式，基于氣液相變原理，性能系數比傳統的機載空氣循環制冷方式高很多，可以滿足機載設備的冷卻需求。然而，對于飛機尤其是戰機，其飛行時通常處于超重力環境，該因素對換熱的影響不容忽視。

沸騰傳熱的一個重要特性是CHF，當發生CHF現象時，傳熱急劇惡化，壁面溫度迅速上升，設備的可靠性顯著降低，這對飛機的效能和安全非常不利。為了強化沸騰傳熱CHF，研究人員嘗試了多種方法，例如改變換熱面積、換熱通道形狀、換熱表面親疏水性以及改變換熱流體工況參數，如質量流速、工作壓力、流向等。“納米流體強化技術”這一概念直至二十世紀90年代才被提出。1993年，日本東北大學的Masuda[1]嘗試制備了不同體積濃度的納米顆粒水基懸浮液，并對溶液的熱物性進行了測定；1995年，美國阿貢國家實驗室的Choi[2]提出了納米流體的概念。

納米流體可以概括為采用一定的方式和比例，把導熱系數較高的金屬(如Al、Fe、Cu、Ag、Au、Ti等)、非金屬(如Si、CNT(碳納米管)、金剛石等)、金屬氧化物(Al2O3、CuO、TiO2等)、非金屬化合(如SiO2、SiC、BN(氮化硼)等)納米顆粒分散到基液中，形成的穩定均勻的新型換熱介質[3-4]。由于具有更好的換熱特性，納米流體自概念提出后逐漸被廣泛研究，但截至目前，大多數研究都集中在單相流、兩相流換熱系數和壓降方面。關于納米流體沸騰傳熱CHF的研究起步較晚，直到2003年，You等[5]開始對納米流體池沸騰CHF進行研究，發現納米流體池沸騰的CHF提高了200%。2008年，Kim[6]等對常重力下納米流體沸騰傳熱CHF進行了實驗研究，發現CHF增強了30%。此后，陸續有學者對多種情況下的納米流體沸騰傳熱CHF進行研究，并探究在外場(如電場、磁場、重力場、超聲波等)作用下CHF的變化規律。Fang等[7]通過總結納米流體池沸騰和流動沸騰的實驗研究，發現實驗中采用的納米顆粒均以Al2O3為最多，分別占33.3%和42.2%。因此，本文將聚焦以Al2O3納米顆粒為對象的沸騰傳熱CHF研究。

本文通過總結分析近幾年國內外關于Al2O3納米流體沸騰傳熱CHF的相關研究，探究不同因素對CHF的影響，得到CHF隨各種因素變化的一般規律。

1 納米顆粒種類和濃度的影響

1.1 納米顆粒種類的影響

納米流體的制備方法主要有一步法和兩步法，前者在進行納米顆粒制備的同時，將納米顆粒分散到基液中，兩個過程同步進行，后者則是先制備納米顆粒，然后采用超聲分散的方式打斷因顆粒表面活性作用而產生的團聚體，并結合添加分散劑(ACT(檸檬酸三銨)、SDBS(十二烷基苯磺酸鈉)、乳化劑OP(聚乙二醇辛基苯基醚)等[8])、調節pH值等方式獲得納米流體。由于一步法所需設備較為復雜，不利于大規模制備，因此，目前主要采用兩步法制備納米流體[9]。

Masuda等[1]嘗試通過靜電斥力技術制備了Al2O3/水納米流體、SiO2/水納米流體、TiO2/水納米流體三種分散體系；李浩然等[10]以聚乙烯吡咯烷酮(PolyvinylPyrrolidone，PVP)為分散劑制備了穩定的ZnO納米流體，并分析了其沸騰換熱特性；王宏宇等[9]指出Al2O3和SiO2是工業制備納米流體的常用顆粒，并從超聲分散時間、分散劑濃度及分散劑種類等方面討論了Al2O3/水和SiO2/水納米流體的穩定性；王洪亮等[11]通過兩步法制備了Al2O3/水納米流體，發現其穩定時間達到4小時以上，可以滿足實驗要求。

Fang等[7]對納米流體池沸騰的實驗研究進行了總結，發現用于實驗的納米顆粒主要為Al2O3、CuO和TiO2，分別占33.3%、14.6%和11.4%，隨后是SiO2(8.1%)、CNT(7.3%)、ZnO(6.5%)、Cu(5.7%)、Fe3O4(3.3%)和ZrO2(3.3%)。采用的基液中水占85.7%，其次是乙二醇或乙二醇-水混合物(7.6%)和制冷劑(5%)。在流動沸騰實驗中，采用的納米顆粒主要為Al2O3和CuO，分別占42.2%和20%(圖1)。基液主要為水(77.8%)和制冷劑(17.8%)。

圖1 流動沸騰實驗所用納米顆粒種類[7]

李呼昂等[12]采用兩步法制備了石墨納米溶液，并對其沸騰傳熱現象和CHF特性進行了實驗研究，發現相比去離子水(DIwater)，石墨納米溶液能夠強化沸騰傳熱系數，較大幅度提高CHF。例如，1g/L石墨納米溶液的CHF為1.98W/m2，是DI water的186%。Lee等[13]比較了體積分數為0.01%和0.001%的Al/水、SiC/水納米流體的CHF，結果顯示SiC/水納米流體的CHF更高。Yildiz等[14]利用理論關聯式和實驗的方法研究了混合納米流體(Al2O3和SiO2)的傳熱性能，發現在低體積分數下，與單一納米流體相比，混合納米流體傳熱能力增強。Minakov等[15]在圓柱型加熱器上對SiO2、Al2O3、Fe2O3等納米顆粒制備的流體進行了沸騰實驗研究，結果表明CHF隨納米顆粒尺寸的增大而增大，并首次揭示沸騰持續時間與CHF存在一定的相關性，隨著沸騰過程時間的增加，CHF增加，并達到一定的穩態水平。王洪亮等[11]利用掃描電鏡(SEM)獲得了Al、TiO2、Al2O3、CNT四種納米顆粒的形狀，并對制備的納米流體的穩定性進行了觀察，發現Al納米流體性質活潑，在制備過程中會發生化學反應并逐漸產生氣泡，因而不宜應用到實驗中。圖2為王洪亮等[11]進行納米流體CHF實驗所得結果，可見相比DI water，3種體積分數為0.001%納米流體的CHF提高了50%左右。

總的來說，上述納米流體和常規流體沸騰傳熱對比實驗表明，添加納米顆粒能夠提高沸騰傳熱CHF。

圖2 不同種類納米顆粒的CHF強化效果[11]

1.2 納米顆粒濃度的影響

Kim等[16]制備了體積分數0.001%～0.1%的Al2O3/水納米流體，通過實驗獲得進口過冷度25℃時沸騰傳熱的CHF(圖3)。從中可以看出，隨著納米顆粒濃度的增加，CHF并沒有明顯變化。他們認為，在低濃度時(≤0.001%)，濃度不斷提升會引起納米顆粒逐漸沉積，納米流體的CHF隨著濃度的提升而增加。當濃度繼續提升大于0.001%時，CHF幾乎保持不變。此外，納米流體CHF還隨著質量流速的增大而提升。Hedge等[17]在對CuO納米流體沸騰傳熱CHF的研究中得到了類似的增長趨勢。

圖3 CHF與納米顆粒濃度關系[16]

Ham等[18]制備了四種體積分數(0.001%、0.01%、0.05%、0.1%)的Al2O3/水納米流體，在絕對粗糙度(Ra)分別為177.5nm和292.8nm的表面進行池沸騰實驗，探究納米流體濃度對池沸騰CHF的影響(圖4)。從中可以看出，納米流體CHF的增長隨濃度增大而增大。對于Ra=177.5nm的表面，濃度從0.001%增加到0.05%時，CHF的增幅從121.8%增大到225.1%；然而當濃度從0.05%增加到0.1%時，CHF的增幅從225.1%降至124.8%。對于Ra=292.8nm的表面，CHF變化趨勢類似，但提升幅度比Ra=177.5nm表面低。他們認為，納米顆粒沉積在加熱表面上形成了多孔納米顆粒層，一定程度上能夠提升表面潤濕性和CHF，但過量的沉積則導致表面潤濕性變差和CHF的提升效果降低。

圖4 不同粗糙度下CHF強化效果與納米顆粒濃度關系[18]

圖5 CHF和HTC與納米顆粒濃度關系[19]

黃曉干等[19]制備了質量分數為0.001%、0.005%、0.01%的Al2O3/水納米流體，分別進行沸騰換熱實驗研究，得到了CHF和換熱系數(HTC)與納米顆粒濃度的關系曲線(圖5)。從中可以看出，納米流體的CHF較DI water的提高了10%～40%，且提高程度隨納米顆粒濃度的增大而增大。他們認為，納米顆粒、流體工質、傳熱壁面之間的相互作用，擾動了流體流動狀態，增大了湍流強度，使得氣泡不易在壁面形成覆蓋，因此，達到臨界狀態需要的熱流密度更高。陳亞鳳[20]對納米顆粒質量分數分別為0.001%、0.005%、0.01%的三種水基γ-Al2O3納米顆粒的池沸騰傳熱實驗，得到了類似結果：與純水相比，三種濃度的納米流體的CHF分別增加了19.06%、41.19%、100.90%。程瑋[21]對體積分數為2%和5%的Al2O3/水納米流體進行沸騰傳熱實驗，得到了同樣的升高趨勢。他們認為，隨著納米流體濃度的增大，納米顆粒間間距越小，使得納米顆粒間的熱傳導、納米顆粒與流體之間的微對流作用增強，從而導致納米流體HTC增大，CHF提高。

綜上所述，納米流體濃度對沸騰傳熱CHF的影響存在多種情況：在低濃度范圍內增大納米流體濃度能夠強化換熱，提高CHF；但隨著納米流體濃度不斷提高，納米顆粒在換熱表面沉積，CHF保持基本不變；過量沉積甚至會導致CHF降低。

2 通道尺寸和粗糙度的影響

2.1 通道尺寸的影響

在研究納米流體沸騰特性的實驗中，實驗段采用的通道主要有圓管和矩形槽道兩種，下面將對這兩種通道分別討論。

Wojtan等[22]以R134a為實驗對象，在直徑為0.5和0.8mm的圓形通道內進行沸騰傳熱實驗，發現在相同的質量流速下，0.8mm圓管內流動沸騰的CHF始終大于0.5mm圓管內的，表明CHF與流道尺寸相關(圖6)。王云等[23]在長度為600mm、內徑分別為6mm和8mm的圓管實驗段內，開展加熱內徑對Al2O3/水納米流體流動沸騰CHF的影響研究，得到了與Wojtan等人[22]類似的結論。

圖6 不同直徑圓管內納米流體沸騰傳熱CHF[22]

羅小平團隊[21，24-28]進行了一系列矩形微槽道內納米流體飽和沸騰的實驗研究，通過控制槽長、槽深，改變槽寬，探究尺寸對于CHF的影響(表1)。

表1 槽道尺寸對納米流體沸騰傳熱CHF影響

程煒[21]、唐揚[24]、羅小平[28]等在0.6×2mm2、1×2mm2、2×2mm2三種尺寸的微槽道內進行了納米流體流動沸騰實驗，結果見圖7。由圖可知，在同一質量流速下，CHF隨槽道尺寸增大而增大，但增長速率隨著尺寸增大而變小。他們認為，槽道尺寸較小時，傳熱效率較高，這樣達到臨界狀況所需的熱流量就較小，因此，槽道尺寸增大，CHF也增大。

圖7 不同寬度矩形槽道內納米流體沸騰傳熱CHF[28]

陳朗[25]在0.3×2mm2、0.6×2mm2、0.9×2mm2三種尺寸的微槽道內進行了納米流體沸騰換熱實驗，結果與程煒[21]、唐揚[24]等類似，但質量流速較小時，CHF受槽道尺寸的影響并不是很大，在質量流速較大時，CHF的增大更為明顯。他們認為，槽道尺寸影響CHF原因可以歸結為氣泡和流型的變化，大的槽道尺寸可以允許大直徑氣泡產生并具有較高的自由度，通道內干涸處也可以得到液體的及時補充，不易聚集在壁面以至于形成氣膜，阻礙傳熱的進行。張瑞達[26]在0.2×2mm2、0.7×2mm2、1×2mm2三種尺寸的微槽內進行了實驗，得到了與陳朗[25]類似的結論。

鐘艷[27]在三種不同的槽道內開展了納米流體沸騰傳熱實驗，探究在相同熱流密度和質量流速條件下槽道尺寸與傳熱系數的關系，發現槽道尺寸越小，流動沸騰傳熱系數越大。

由上可知，槽道尺寸越小，液體在槽道內越易干涸，也越易出現臨界熱流現象，因而CHF越小。這是因為，流道尺寸的改變會引起納米流體流動沸騰時產生的氣泡尺寸發生變化，進而影響傳熱。

2.2 通道粗糙度的影響

Ham等[18]實驗研究了Ra為177.5nm和292.8nm的Al2O3/水納米流體池沸騰傳熱特性，結果表明，Ra=177.5nm表面的CHF提升程度最高可達225%，優于Ra=292.8nm的138.5%。

Cao等[29]在電化學沉積制備的微孔表面上實驗研究了NOVEC-649的池沸騰性能，得到了粗糙度不同的電化學沉積表面(ECDS)上的CHF(圖8)。由圖可知，ECDS-0.1M、ECDS-0.2M、ECDS-0.3M和ECDS-0.4M上的CHF分別為24.44W/cm2、26.31W/cm2、26.84W/cm2和26.84W/cm2，而在光滑表面(SS)上的CHF為17.33W/cm2，CHF的提升最高達55%。

圖8 不同表面池沸騰CHF[29]

Manetti等[30]用光滑壁面(Ra=0.05um)和粗糙壁面(Ra=0.23um)進行了低濃度的Al2O3/水納米流體池沸騰實驗，結果表明，對比DI water，在光滑表面和粗糙表面，納米流體傳熱換熱系數分別增加了75%和15%。實驗分析揭示，光滑表面更易受納米顆粒沉積的影響，使得換熱系數增加更多。

羅小平等[31]分別以DI water和質量分數0.3%的Al2O3/水納米流體為實驗工質，研究它們在平均灰度粗糙度δN(對采集的圖像用MATLAB進行處理得到RGB圖像，以幅度參數均方根偏差δN來表征微細通道的壁面粗糙程度)分別為25.3、38.7、51.2的3種矩形微通道內流動沸騰的CHF。結果如圖9所示，DI water和納米流體的CHF隨著粗糙度的減小都會有較明顯的降低。他們認為：當壁面粗糙度減小時，納米顆粒對壁面的撞擊減弱，造成的紊流作用減小，導致換熱性能變差，CHF變小；此外0.3%納米流體的CHF相比DI water因粗糙度的減小而更明顯的減小。原因在于，少量納米顆粒的沉降使壁面親水性增強進一步使微細通道壁面粗糙度增大。

周建陽等[32]運用化學拋光技術改變微型換熱器換熱管道表面粗糙度，采用低濃度Al2O3/R141b納米流體作為實驗工質研究其在不同工況下的流動沸騰CHF，實驗結果發現，納米流體的CHF隨粗糙度的減小而減弱，粗糙度減小80.4%，換熱性能減弱22.5%。

由此可見，流道粗糙度的變化會對CHF產生影響。納米顆粒在光滑壁面上的撞擊強度減弱，造成的紊流強度小，導致CHF有所降低。

圖9 壁面粗糙度對納米流體沸騰傳熱CHF影響[31]

3 其他因素對的影響研究

除了上述納米流體和通道的基本特性外，還有一些因素影響納米流體沸騰傳熱CHF。

Quan等[3]認為在池沸騰過程中，潤濕性較好的表面納米顆粒被吸附在汽液界面，液體不易排出，氣泡的聚集被抑制，氣泡尺寸減小，導致CHF急劇增加。

Wang等[34]根據經驗研究了工作壓力對過冷Al2O3/水納米流體流動的CHF影響，得到結論：工作壓力在400～800kPa范圍內升高時，CHF能夠提高，主要是由飽和溫度的升高引起。

Shen等[35]研究了超聲波對Al2O3/水納米流體沸騰傳熱的影響，得到了熱流密度隨鉑絲溫度與納米流體溫度之差的變化曲線(圖10)。從中可以看出，超聲波的使用使得CHF降低，并且使用超聲波的沸騰曲線在未使用超聲波的左側。他們分析，超聲波影響納米顆粒的沉積，進而影響CHF。

圖10 超聲波對納米流體沸騰傳熱CHF影響[35]

Sheikhbahai等[36]研究了外加電場下Fe3O4/乙二醇-水納米流體在水平薄鎳鉻絲上的核態沸騰。結果表明，電場提高了納米流體核態沸騰的HTC，但對CHF幾乎沒有影響。他們認為，CHF增強主要原因是在加熱器表面形成多孔層，而多孔層沉積不受電場影響，因此CHF不受外加電場影響。

Goshayeshi等[37]研究了磁場作用下Fe2O3/煤油納米流體在傾斜角為0°～90°的銅閉環振蕩熱管內的傳熱特性。結果表明，傾斜角從0°到75°，傳熱性能得到改善，但是在75°和90°之間，傳熱性能惡化，因為更快的冷凝液體返回會改變蒸發單元的功能。Dadjoo等[38]利用SiO2納米流體溶液，研究流向對換熱系數和CHF的影響，發現流向從0°到90°，CHF增高而HTC降低。這是由于聚結氣泡和蒸汽膜的形成，增加了傳熱阻力，使得HTC降低，而納米流體顆粒沉積會使表面潤濕性和CHF提高。

Zhang等[39]利用KC-135和B-727飛機的拋物飛行，對微重力、常重力和1.8g過載下FC-72在5.0×2.5mm2矩形狹縫內的流動沸騰CHF進行了實驗研究。結果表明：低流速時，CHF對重力較為敏感，微重力下的CHF比常重力下的小，且CHF之間的差別隨流速的增加而減小；低流速和過載時，由于浮力作用較大，氣泡在聚合之前就脫離壁面，氣泡行為與常重力下的池沸騰類似；高過冷和過載時，由于冷凝作用，氣泡迅速減小。

4 結語

(1)納米流體沸騰傳熱CHF的研究大都以實驗方法為主，結果表明，納米流體確實能夠在一定程度上強化沸騰傳熱CHF，不過相關的強化機理仍需進一步研究。

(2)通常納米顆粒濃度的增大會使納米顆粒、流體工質和傳熱壁面的相互作用增強、擾動增大，使傳熱壁面不易被氣泡覆蓋，因而可以有效提高CHF。但是，納米顆粒濃度過高可能會引起沉積現象發生，導致CHF的提高存在限制。

(3)納米流體流動通道的尺寸越小，越不利于大氣泡的生成脫離，壁面被氣膜覆蓋發生局部干涸現象，很快達到CHF。同時尺度的減小會放大微通道內粗糙度帶來的影響，納米顆粒對光滑壁面的撞擊減弱，造成的紊流作用減小，導致換熱性能變差，CHF也變小。然而，納米流體的強化效果并非單因素的作用，增大粗糙度雖然能夠增強擾動效果，但也可能會導致納米顆粒沉積在傳熱壁面形成納米膜，阻礙換熱。

(4)壁面傾斜角、壁面潤濕性、工作壓力、外場(電場、磁場、重力場、超聲波)等潛在的影響因素正逐漸引起研究人員的關注。

(5)為了更加深入的揭示納米流體沸騰傳熱的強化機理，除了實驗方法以外，還可以結合仿真模擬的方法對傳熱細節進行分析，并探究納米流體在機載(超重力)環境下的沸騰換熱CHF，豐富納米流體沸騰傳熱研究的內容和理論，為機載冷卻系統的設計和運行提供支撐。