表面活性劑對水基納米流體湍流流動和傳熱性能的影響

摘要：采用聚乙烯吡咯烷酮作為表面活性劑，制備懸浮穩定的水基二氧化硅納米流體，對水基二氧化硅納米流體在圓管內的湍流流動和傳熱性能進行試驗研究。結果表明：水基二氧化硅納米流體的強化傳熱綜合性能隨著聚乙烯吡咯烷酮與二氧化硅質量比的增大呈現先增大后減小的變化趨勢，聚乙烯吡咯烷酮與二氧化硅的質量比為1∶1的流體的強化傳熱綜合性能最好；固定聚乙烯吡咯烷酮與二氧化硅的質量比為1∶1，水基二氧化硅納米流體的強化傳熱綜合性能隨著二氧化硅納米顆粒添加量的增加而增強，與純水相比，二氧化硅納米顆粒質量分數為6.0%的水基二氧化硅納米流體的強化傳熱綜合評價因子提高約46%，流動傳熱綜合性能顯著改善。

關鍵詞：表面活性劑；水基納米流體；二氧化硅納米顆粒；湍流傳熱

中圖分類號：TK11

文獻標志碼：A

Effect of Surfactant on Turbulent Flow and Heat Transfer Performance of Water-based Nanofluids

QIN Guangjun， JIA Lisi， CHEN Ying， MO Songping， WANG Zhibin， DENG Zhuofu

（School of Materials and Energy， Guangdong University of Technology， Guangzhou 510006， Guangdong， China）

Abstract： Silicon dioxide water-based nanofluids with good suspension stability were prepared by adding polyvinylpyrrolidone as a surfactant. Experimental studies were conducted on turbulent flow and heat transfer performance of silicon dioxide water-based nanofluids in a circular tube. The results show that with the increase of the mass ratio of polyvinylpyrrolidone to silicon dioxide， the enhanced comprehensive heat transfer performance of silicon dioxide water-based nanofluids first increases and then decreases， and the nanofluids shows the best enhanced comprehensive heat transfer performance with the mass ratio of polyvinylpyrrolidone to silicon dioxide of 1∶1. Fixing the mass ratio of polyvinylpyrrolidone to silicon dioxide of 1∶1， the enhanced comprehensive heat transfer performance of silicon dioxide water-based nanofluids is reinforced with the increase of addition amount of silicon dioxide nanoparticles. Compared with pure water， the comprehensive evalution factor of enhanced heat transfer of silicon dioxide water-based nanofluids with mass fraction of silicon dioxide nanoparticles of 6.0% is increased by about 46%， and the comprehensive performance of flow heat tranfer is significantly improved.

Keywords： surfactant; water-based nanofluid; silicon dioxide nanoparticle; turbulent heat transfer

收稿日期：2022-03-06 網絡首發時間：2022-12-02T17∶22∶44

基金項目：國家自然科學基金項目（51876045，U20A20299）

第一作者簡介：覃光軍（1996—），男，湖南邵陽人。碩士研究生，研究方向為強化傳熱工質流動與傳熱性能。E-mail：31812049@qq.com。

通信作者簡介：賈莉斯（1984—），女，湖南湘西人。副教授，博士，碩士生導師，研究方向為強化傳熱工質設計及流動傳熱性能優化。E-mail：jialisi@gdut.edu.cn。

網絡首發地址：https：//kns.cnki.net/kcms/detail//37.1378.n.20221130.1800.002.html

隨著科學技術的突飛猛進，電力電子及動力設備散熱、工業余廢熱回收等領域的熱負荷日益增加，水、醇類等傳統工質已無法滿足傳熱需求，因此誕生了納米流體^［1］。納米流體是將納米級金屬或非金屬固體顆粒分散于傳統工質中形成的一類新型工質^［2］，導熱性能優異^［3-5］，可有效強化傳熱^［6-8］，應用前景廣闊。

通常傳熱流體在湍流流動下的傳熱效率一般要比在層流流動下的高。目前關于納米流體湍流流動和傳熱性能的研究^［9-14］多在雷諾數Re為3 000～52 000時開展。這些研究證實了納米流體的強化傳熱能力，但相關結果之間尚缺乏一致性。例如，趙耀華等^［13］的研究顯示，在水基液中添加體積分數為0.01%的碳化硅納米顆粒能夠使水基液在Re為5 200時的努塞爾數Nu增大約80.8%。Dabiri等^［14］的研究則顯示，在10 000＜Re＜45 000時，顆粒體積分數為0.12%～0.24%的納米流體的傳熱強化效果僅比水基液的提高17.8%左右。表面活性劑是納米流體研究中普遍使用的一類分散劑，其吸附于納米顆粒表面能夠改變顆粒表面性質，進而影響納米顆粒在水基液中的分散或團聚，以及納米流體的熱物性能^［15-18］。例如，歐陽鑫望等^［15］研究顯示，水基氮化鈦納米流體的黏度隨表面活性劑十六烷基三甲基溴化銨質量分數的增加呈現出增長趨勢。陳裕豐等^［17］利用表面活性劑十二烷基苯磺酸鈉穩定水基氧化鋁納米流體，發現表面活性劑的加入會使納米流體導熱系數減小。鑒于導熱系數、黏性系數是決定傳熱工質流動和傳熱性能的重要參數，表面活性劑對納米流體強化傳熱能力的影響不可忽略。

基于上述分析，本文中將重點探討表面活性劑對納米流體湍流流動和傳熱性能的影響及其規律。選擇使用廣泛的傳熱工質水作為基液，以商品二氧化硅納米顆粒作為分散顆粒制備水基二氧化硅納米流體，采用聚乙烯吡咯烷酮（PVP）作為表面活性劑以實現水基二氧化硅納米流體的分散穩定。現今，關于水基二氧化硅納米流體湍流流動和傳熱的研究顯示，添加二氧化硅納米顆粒到傳統工質中能夠起到強化傳熱的效果。例如，Ali等^［9］發現在8 000＜Re＜45 000時，二氧化硅納米流體的湍流傳熱系數隨著體積分數的增加而增大，在二氧化硅納米顆粒體積分數為0.007%時的湍流傳熱系數比純水的增加了約27%。Jumpholkul等^［10］研究顯示，在Re為10 800時，與基液相比，顆粒體積分數為2%的二氧化硅納米流體的Nu增大了約54.5%。由于目前還鮮有關于表面活性劑對水基二氧化硅納米流體湍流流動和傳熱性能影響的報道，因此，本文中針對表面活性劑PVP作用下水基二氧化硅納米流體的穩定性、熱物性和流動傳熱特性進行研究，重點探討PVP與二氧化硅的質量比、二氧化硅添加量對傳熱影響，以期為水基二氧化硅納米流體的強化傳熱應用提供參考。

1 實驗

1.1 水基二氧化硅納米流體的制備

采用兩步法^［19］制備水基二氧化硅納米流體。二氧化硅納米顆粒由上海司太立金屬材料公司提供，顆粒形貌為球形，平均粒徑約為200 nm，圖1所示為二氧化硅納米顆粒的掃描電子顯微鏡（SEM）圖像，其他物理參數見表1。表面活性劑PVP（分析純），由阿拉丁試劑公司提供。

第一步，使用電子天平（FA2204E型，江蘇省常州市幸運電子設備有限公司）稱取一定質量的二氧化硅納米顆粒和表面活性劑，將表面活性劑溶解于一定體積的去離子水中，緩慢加入二氧化硅納米顆粒，將固-液混合物放置于恒溫磁力攪拌器（HS5S型，浙江省寧波市鄞州群安實驗儀器有限公司），設置溫度為30 ℃，磁力攬拌30 min；第二步，攬拌后的混合物移入超聲波清洗儀（YM-060S型，廣東省深圳市方奧微電子有限公司）中，設置功率為360 W，超聲振動2 h，最終獲得分散穩定的水基二氧化硅納米流體。

共設置2組實驗：1）固定二氧化硅納米顆粒質量分數為1.0%，表面活性劑摻入量逐步增加，與二氧化硅納米顆粒的質量比分別為1∶2、1∶1、3∶2和2∶1；2）固定PVP與二氧化硅納米顆粒的質量比為1∶1，二氧化硅納米顆粒的質量分數逐步增大，依次為1.0%、2.5%、4.0%、5.0%和6.0%。

水基二氧化硅納米流體的有效粒徑分布、流體導熱系數和流體黏性系數分別采用粒度分析儀（Heraeus Multifuge X3型，賽默飛世爾科技（中國）有限公司）、導熱系數儀（Hot Disk 2500S型，瑞典Hot Disk有限公司）、旋轉流變儀（Kinexus Lab+型，德國耐馳儀器制造有限公司）測試。所有測試重復5次，以保證結果的準確性。

1.2 水基二氧化硅納米流體的流動傳熱

1.2.1 傳熱實驗系統

實驗測試段選用長度為1 000 mm、外徑為16 mm、內徑為10 mm的不銹鋼管，管壁纏繞電加熱絲，并與直流電源（功率為2 000 W，江蘇省啟東市宇諾開關電源有限公司）連接，通過調節電源電壓加熱實驗段管道，從而獲得均勻恒定的熱流條件。實驗段外側包裹絕熱保溫棉以減少熱損失。實驗段兩端安裝有T型熱電偶，用來測量進出口流體溫度。在管壁軸向方向每間隔100 mm開一個測溫孔，孔深盡量靠近管內壁，孔內布置T型熱電偶，用來測量管內壁溫度。實驗段兩端分別布置壓力傳感器（SIN-P3000T型，杭州市聯測自動化技術有限公司）用于測量流體進出口壓力，并設置差壓傳感器（SIN-2051G型，杭州市聯測自動化技術有限公司）測量實驗段壓降。溫度、壓降數據均通過數據采集儀（34972A型，山東省青島市魯芯儀器有限公司）采集到電腦進行記錄。電動三通調節閥（ZDLX-16P型，上海市巨良閥門集團有限公司）用于調節流體的流量、壓力和液位。實驗中，冷卻水循環系統中低溫恒溫反應浴（DHJF-4002型，鄭州市長城科貿有限公司）與蛇形水冷蒸發器套管式換熱器（廣州市廣源制冷設備有限公司）相連接，冷卻水與流體在換熱器中進行傳熱，并控制水基二氧化硅納米流體在實驗觀察段的進口溫度恒定在29 ℃左右。使用轉速型蠕動泵（WT600型，河北省保定市創銳泵業有限公司）變頻調節水基二氧化硅納米流體的流量，并由質量流量計（K050S型，艾默生過程控制流量技術（南京）有限公司）進行測量。

1.2.2 數據處理及誤差分析

1.2.2.1 數據處理

納米流體的管內流量和Re的計算公式為

式中：q_m為流體質量流量；G為流體質量流速；D_h為通道當量直徑；μ為流體黏度。

管壁加熱獲得的熱流密度為

式中：q為實驗段獲得的熱流密度；Q為熱量；A為管壁表面積；U為加熱電壓；I為加熱電流；L為實驗段長度。

納米流體的管內平均對流傳熱系數計算公式為

式中：h—為平均對流傳熱系數；t_w—為實驗段的平均內壁溫度；t_f—為實驗段管內納米流體平均溫度；t_i為管內壁測點i的溫度，i=1，2，…，11；t_in和t_out分別為實驗段流體的進口和出口溫度。

平均努塞爾數Nu——的計算公式為

式中λ為導熱系數。

實驗段長度方向x處局部對流傳熱系數h（x）為

式中：t_w（x）為實驗段軸向x處的管壁溫度，由熱電偶直接測量得到；t_f（x）為實驗段軸向x處的流體溫度；m為流體的質量；c_p為納米流體的比熱容。

納米流體的壓降Δp計算公式為

式中p_in、p_out分別為納米流體的進、出口壓力。

在實驗中納米流體的壓降僅包含摩擦壓降，因此流體的摩擦阻力系數f的計算公式為

式中：ρ_nf為納米流體的密度；v為納米流體的流速。

根據管內純水的湍流流動和傳熱性能，本文中引入綜合評價因子η^［20］來評價納米流體在圓管內的強化傳熱性能，綜合評價因子越大，說明流體的強化傳熱效果越好。表達式為

式中：Nu_nf為納米流體的平均努塞爾數；Nu_bf為水的平均努塞爾數；f_nf為納米流體的摩擦阻力系數；f_bf為水的摩擦阻力系數。

1.2.2.2 實驗誤差分析

實驗測量誤差包括直接測量參數誤差和間接計算參數誤差。直接測量參數有溫度、壓力、流量等，用x_j表示，j=1，2，…，n， n為參數總數。熱電偶測量誤差為±0.5 K，壓力傳感器誤差為±0.1%，流量計誤差為±0.2%。間接計算參數包括熱流密度、傳熱系數、努塞爾數和摩擦阻力系數等，用y表示。根據誤差分析理論^［21］，誤差傳遞公式為

式中：σ_y為間接計算參數誤差；σ_xj為直接測量參數誤差。各參數的相對誤差見表2。

1.2.2.3 傳熱系統可靠性驗證

以水作為工質開展對流傳熱實驗，將純水的平均努塞爾數Nu——實驗值與由Gnielinski^［22］提出的關聯式（14）計算值進行比較，以評估流動傳熱實驗系統的可靠性，二者比對結果如圖2所示。從圖中可以看出，實驗值與理論計算值能夠較好吻合，最大偏差約為16%，說明該流動傳熱實驗系統的準確性好，能夠進行水基二氧化硅納米流體的流動傳熱試驗研究。

式中Pr為普朗特數。

2 結果與分析

2.1 PVP與二氧化硅的質量比對納米流體流動傳熱性能的影響

2.1.1 水基二氧化硅納米流體的分散穩定性和熱物性

固定二氧化硅納米顆粒質量分數為1.0%，PVP與二氧化硅的質量比分別為1∶2、1∶1、3∶2和2∶1的4種水基二氧化硅納米流體的粒徑分布和靜置沉降情況如圖3所示。從圖3（a）中可以看出，PVP與二氧化硅水基的質量比對納米流體的有效粒徑作用明顯，當PVP與二氧化硅的質量比為1∶1時，流體有效粒徑最小，與無表面活性劑的水基二氧化硅納米流體相比，有效粒徑減小了約29%。當有效粒徑相同時，PVP與二氧化硅的質量比越大，大顆粒的數量分數越小，分散性也越好。從靜置沉降圖［圖3（b）］也可以看出，添加表面活性劑的水基二氧化硅納米流體無明顯沉降，而無表面活性劑的水基二氧化硅納米流體則出現清晰的分層現象，顆粒聚集下沉，上層出現清液。

圖4所示為PVP與二氧化硅的質量比對水基二氧化硅納米流體的導熱系數及黏度的影響。由圖可以看出，流體的黏度隨著PVP與二氧化硅的質量比的增大而增大。當兩者質量比由1∶2增大為2∶1時，流體的黏度增大11.7%。納米流體的導熱系數隨著PVP與二氧化硅的質量比的增加先增大后減小，增幅很小。兩者質量比為1∶1的流體導熱系數比質量比為2∶1的僅增大4.8%。

2.1.2 水基二氧化硅納米流體的流動傳熱性能

圖5所示為PVP與二氧化硅的質量比對納米流體流動傳熱性能的影響。由圖5（a）可見，PVP與二氧化硅的質量比不同的納米流體的進出口溫差（Δt=t_out-t_in）均隨著Re的增大而逐漸減小。當Re相同時，PVP與二氧化硅的質量比為1∶1的納米流體進出口溫差最小，而兩者質量比為1∶2的納米流體的最大。例如當Re為5 061時，PVP與二氧化硅的質量比為1∶1的水基二氧化硅納米流體的進出口溫差比兩者質量比為1∶2的納米流體的小28.8%。

從圖5（b）中可以看出，隨著納米流體Re的增大，進出口壓降增大。當Re相同時，隨著PVP與二氧化硅的質量比的增大，流體進出口壓降同樣呈現增大的趨勢。當PVP與二氧化硅的質量比分別為2∶1、3∶2時，進出口壓降變化較小。例如，當Re為4 559時，PVP與二氧化硅的質量比為2∶1的流體的進出口壓降為0.676 kPa，比兩者質量比為1∶2的流體的大27.2%。通常流動壓降越小，傳熱系統的功耗越低，由圖5（a）、（b）可知，PVP與二氧化硅的質量比為1∶1的水基二氧化硅納米流體具有較好的流動傳熱性能。

圖5（c）所示為PVP與二氧化硅的質量比不同的納米流體Nu——隨Re的變化，直接反映了PVP與二氧化硅質量比對Nu——納米流體傳熱能力的影響。由圖可以看出，Nu——均隨著Re的增大而逐漸增大。當Re相同時，納米流體的Nu——隨著PVP與二氧化硅的質量比的增大呈現先增大后減小的趨勢，在Re較大時該趨勢尤為明顯。例如當Re為4 559時，PVP與二氧化硅的質量比為1∶1的納米流體的Nu——最大，比兩者質量比為1∶2的納米流體的要大6.1%。主要原因在于PVP與二氧化硅的質量比為1∶2時，表面活性劑不能完全吸附在納米顆粒表面，隨著兩者質量比增大到1∶1，表面活性劑完全吸附在納米顆粒表面，此時流體分散穩定性最好，流體的導熱系數達到最大。導熱系數的增大降低了邊界層內的熱阻，強化了流體傳熱過程。如果繼續增加表面活性劑用量，納米顆粒表面的表面活性劑分子不再繼續增加，而是在流體內部相互橋連，導致流體黏度急劇增大，減緩了通道表面附近的液體流動，抑制流體中納米顆粒的運動，壁面厚度增大，阻礙了熱量向上層的傳遞，因此納米流體的傳熱能力下降。

圖5（d）所示為PVP與二氧化硅質量比不同的納米流體的摩擦阻力系數f隨Re的變化。從圖中可以看出，PVP與二氧化硅的質量比不同的納米流體均呈現出f隨Re增大而減小的變化趨勢。隨著兩者質量比的增大，納米流體的f呈線性增大的趨勢，PVP與二氧化硅質量比為2∶1的納米流體的f相對最大，而兩者質量比為1∶2的納米流體的f相對最小。例如當Re為5 425時，PVP與二氧化硅的質量比為2∶1的納米流體的f比兩者質量比為1∶2的納米流體的大12.9%。表面活性劑通常吸附在納米顆粒表面，但過量的表面活性劑分子在流體內部相互橋連，使流體黏度迅速增大，減緩了通道表面附近的液體流動，導致流體的f隨之增大。

圖5（e）所示為PVP與二氧化硅的質量比不同的納米流體的綜合評價因子隨Re的變化。從圖中可以看出，納米流體的綜合評價因子均大于1，說明二氧化硅納米顆粒的加入可強化傳熱。PVP與二氧化硅的質量比不同的納米流體的綜合評價因子均隨著Re的增大而呈現總體減小的趨勢。當Re為3 000～7 000時，流體的綜合評價因子隨著PVP與二氧化硅的質量比的增大呈現先增大后減小的趨勢，PVP與二氧化硅的質量比為1∶1的納米流體的綜合評價因子最大，兩者質量比為2∶1的納米流體的最小。這是因為PVP與二氧化硅的質量比為1∶1的納米流體的導熱系數大，黏度較小，流體的傳熱能力好，流動阻力小，所以綜合評價因子較大。例如當Re為4 557時，PVP與二氧化硅的質量比為1∶1的納米流體的綜合評價因子為1.178，比兩者質量比為2∶1的納米流體的大9.8%。固定PVP與二氧化硅的質量比為1∶1，當Re較大（5 500～7 000）時，流體的綜合評價因子同樣出現增大的趨勢。因為納米流體流速的增大增強了流動湍流強度以及顆粒之間的相互作用和碰撞，所以提高了流體的傳熱能力。綜上，當PVP與二氧化硅的質量比為1∶1時，水基二氧化硅納米流體具有最好的強化傳熱綜合性能，尤其是在Re較大的工況下。

2.2 二氧化硅添加量對納米流體流動傳熱性能的影響

2.2.1 水基二氧化硅納米流體的分散穩定性和熱物性

固定PVP與二氧化硅的質量比為1∶1，二氧化硅質量分數分別為1.0%、2.5%、4.0%、5.0%、6.0%的5種水基二氧化硅納米流體的粒徑分布和靜置沉降情況如圖6所示。可以看出，二氧化硅質量分數越大，流體中顆粒團聚效果越明顯，流體有效粒徑越大，具有有效粒徑的大顆粒的數量分數也越大，顆粒的分散性越差。從靜置沉降圖也可以看出，二氧化硅質量分數不同的納米流體均無明顯沉降，而未添加表面活性劑的水基二氧化硅納米流體中出現明顯的分層現象。

圖7所示為二氧化硅添加量不同時納米流體時導熱系數及黏度。由圖可以看出，流體的導熱系數及黏度均隨著二氧化硅質量分數的增大而增大，二氧化硅質量分數由1.0%增大為6.0%時，導熱系數增幅不大，約為7.8%，但黏度增幅明顯，增大約60.0%。

2.2.2 水基二氧化硅納米流體的流動傳熱性能

圖8所示為二氧化硅添加量對納米流體傳熱性能的影響。由圖8（a）可知，二氧化硅添加量不同的納米流體的進出口溫差均隨著Re的增大而逐漸減小。當Re相同時，納米流體的進出口溫差隨著二氧化硅質量分數的增大呈現顯著減小的趨勢，二氧化硅質量分數為6.0%的納米流體的進出口溫差最小，二氧化硅質量分數為1.0%的納米流體的最大。例如當Re為4 557時，二氧化硅質量分數為6.0%的納米流體的進出口溫差比質量分數為1.0%的納米流體的小26.9%。

從圖8（b）可以看出，隨著納米流體Re的增大，不同二氧化硅添加量的納米流體的進出口壓降隨之增大。在Re相同時，隨著二氧化硅質量分數的增大，流體的進出口壓降同樣呈現增大的趨勢，二氧化硅質量分數為6.0%的納米流體的進出口壓降最大，而二氧化硅質量分數為1.0%的納米流體的時出口壓降最小。

圖8（c）所示為二氧化硅添加量不同的納米流體Nu——隨Re的不同的納米流體的Nu——均隨著Re的增大而逐漸增大。當Re相同時，納米流體的Nu——隨著二氧化硅添加量的增加呈現顯著增大的趨勢，該趨勢在Re較大的情況下尤為明顯。例如當Re為5 061時，二氧化硅質量分數為6.0%的納米流體的Nu——最大，比二氧化硅質量分數為1.0%的納米流體的大26.7%。因為納米流體中顆粒進行布朗運動，隨著二氧化硅納米顆粒添加量的增加，顆粒與顆粒、顆粒與流體之間的相互作用及碰撞效果增強，所以納米流體的導熱系數也隨之增加。此外，二氧化硅納米顆粒本身具有比純水更好的導熱性能，兩者的共同作用使得納米流體的傳熱性能與納米顆粒用量呈正相關性。

圖8（d）所示為二氧化硅添加量不同的納米流體的摩擦阻力系數f隨Re的變化。由圖可知，二氧化硅添加量不同的納米流體的f均呈現隨著Re增大而減小的變化趨勢。隨著二氧化硅添加量的增加，流體的黏度急劇增大，導致f線性增大。二氧化硅質量分數為6.0%的納米流體的f最大，二氧化硅質量分數為1.0%的流體的f最小。例如當Re為4 559時，二氧化硅質量分數為6.0%的納米流體的f比二氧化硅質量分數為1.0%的納米流體的大26.1%。

圖8（e）所示為二氧化硅添加量不同的納米流體的綜合評價因子隨Re的變化。從圖中可以看出，納米流體的綜合評價因子均大于1，說明二氧化硅納米顆粒的加入以及表面活性劑的合理選擇可以顯著改善流體強化傳熱效果。二氧化硅添加量不同的納米流體的綜合評價因子均隨著Re的增大而呈現總體減小的趨勢。當Re為3 000～7 000時，流體的綜合評價因子隨著二氧化硅質量分數的增加呈現逐漸增大的趨勢，二氧化硅質量分數為6.0%的納米流體的綜合評價因子最大，二氧化硅質量分數為1.0%的納米流體的綜合評價因子最小。由于二氧化硅質量分數為6.0%的納米流體的導熱系數和黏度較大，流體的傳熱能力強，流動阻力大，且傳熱能力增長幅度大于流動阻力的增長幅度，因此流體的綜合評價因子也有一定的增加。例如當Re為6 076時，二氧化硅質量分數為6.0%的納米流體的綜合評價因子為1.364，比二氧化硅質量分數為1.0%的納米流體的大17.1%。綜上分析，當二氧化硅質量分數為6.0%時，水基二氧化硅納米流體具有最好的強化傳熱綜合性能。

3 結論

本文中研究了表面活性劑對水基納米流體湍流流動和傳熱性能的影響，對PVP與二氧化硅的質量比不同和二氧化硅添加量不同的水基二氧化硅納米流體的流動傳熱性能進行研究，得到以下主要結論：

1）PVP與二氧化硅的質量比是影響納米流體湍流流動和傳熱性能的重要因素，流體的綜合評價因子均大于1，且隨著PVP與二氧化硅的質量比的增加呈現先增大后減小的趨勢，在PVP與二氧化硅的質量比為1∶1時達到最大值，此時，水基二氧化硅納米流體具有最佳的綜合強化傳熱效果。

2）固定PVP與二氧化硅質量比為1∶1，水基二氧化硅納米流體的湍流流動和傳熱性能與其中二氧化硅顆粒的添加量緊密相關，納米流體的綜合評價因子隨二氧化硅添加量的增加而單調增大，最大可達1.46，此時水基二氧化硅納米流體的強化傳熱綜合評價因子比純水的提升約46%。

3）利用PVP穩定的水基二氧化硅納米流體的強化傳熱綜合性能顯著提升，且PVP的強化傳熱作用在Re較小時更為明顯。總體上，Re越小，水基二氧化硅納米流體的綜合評價因子越大。

參考文獻：

［1］ MOREIRA T A， MOREIRA D C， RIBATSKI G. Nanofluids for heat transfer applications： a review［J］. Journal of the Brazilian Society of Mechanical Sciences and Engineering， 2018， 40（6）： 303.

［2］ CHOI S U S， EASTMAN J A. Enhancing thermal conductivity of fluids with nanoparticles［C］//1995 International Mechanical Engineering Congress and Exhibition， November 12-17， 1995， San Francisco， CA， USA. Washington， DC： USDOE， 1995： 196525.

［3］ 孫恩博， 陳今茂， 熊春華， 等. 納米流體穩定性及其導熱性能研究［J］. 熱能動力工程， 2021， 36（5）： 61.

［4］ CUI X， WANG J， XIA G D. Enhanced thermal conductivity of nanofluids by introducing Janus particles［J］. Nanoscale， 2021， 14（1）： 99.

［5］ 汪靖凱， 趙蕾， 馬麗斯. Cu/Al納米流體的制備及導熱性能［J］. 應用化工， 2021， 50（3）： 620.

［6］ 曾遠嫻， 肖鑫， 陳梓云， 等. 導熱油基CuO納米流體的合成及其強化傳熱研究［J］. 化工技術與開發， 2017， 46（4）： 6.

［7］ 朱大海， 于偉， 朱桂華， 等. 氧化銅形貌對納米流體強化傳熱性能的影響［J］. 科學通報， 2020， 65（增刊1）： 222.

［8］ SAJJAD M， KAMRAN M S， ALI H， et al. Effect of various evaluation criteria on heat transfer enhancement of nanofluids： a case study of water-based Cu₂O nanofluids［J］. Arabian Journal for Science and Engineering， 2020， 45： 953.

［9］ ALI H M. In tube convection heat transfer enhancement： SiO₂ aqua based nanofluid［J］. Journal of Molecular Liquids， 2020， 308： 113031.

［10］ JUMPHOLKUL C， ASIRVATHAM L G， DALKILI A S， et al. Experimental investigation of the heat transfer and pressure drop characteristics of SiO₂/water nanofluids flowing through a circular tube equipped with free rotating swirl generators［J］. Heat and Mass Transfer， 2020， 56： 1613.

［11］ 高陽， 王維. 納米流體在圓管中的流動與換熱實驗研究［J］. 熱能動力工程， 2020， 35（11）： 67.

［12］ BRICLO A， HENRY J F， POPA C， et al. Experimental investigation of the heat and fluid flow of an Al₂O₃-water nanofluid in the laminar-turbulent transition region［J］. International Journal of Thermal Sciences， 2020， 158： 106546.

［13］ 趙耀華， 張艷妮， 刁彥華， 等. SiC-水納米流體在微小通道中的流動和換熱特性［J］. 北京工業大學學報， 2015， 41（7）： 1085.

［14］ DABIRI E， BAHRAMI F， MOHAMMADZADEH S. Experimental investigation on turbulent convection heat transfer of SiC/W and MgO/W nanofluids in a circular tube under constant heat flux boundary condition［J］. Journal of Thermal Analysis and Calorimetry， 2018， 131： 2243.

［15］ 歐陽鑫望， 吳張永， 莫子勇， 等. 水基納米TiN流體粘（黏）度及流變特性的研究［J］. 材料導報， 2015， 29（8）： 83.

［16］ WANG J， LI G L， LI T， et al. Effect of various surfactants on stability and thermophysical properties of nanofluids［J］. Journal of Thermal Analysis and Calorimetry， 2020， 143： 4057.

［17］ 陳裕豐， 章學來， 丁錦宏， 等. 表面活性劑對Al₂O₃-H₂O納米流體熱物性特性的影響［J］. 低溫與超導， 2017， 45（12）： 74.

［18］ ASKAR A H， KADHIM S A， MSHEHID S H. The surfactants effect on the heat transfer enhancement and s tability of nanofluid at constant wall temperature［J］. Heliyon， 2020， 6（7）： e04419.

［19］ 鄭儼釗， 雷建永， 王橋， 等. 納米流體研究綜述［J］. 當代化工， 2021， 50（3）： 724.

［20］ QIU L， DENG H W， SUN J N， et al. Pressure drop and heat transfer in rotating smooth square U-duct under high rotation numbers［J］. International Journal of Heat and Mass Transfer， 2013， 66： 543.

［21］ ZHANG J， DIAO Y H， ZHAO Y H， et al. Experimental study of TiO₂-water nanofluid flow and heat transfer characteristics in a multiport minichannel flat tube［J］. International Journal of Heat and Mass Transfer， 2014， 79： 628.

［22］ GNIELINSKI V. Equations for heat and mass transfer in turbulent pipe and channel flow［J］. International Chemical Engineering， 1976， 16（2）： 359.

（責任編輯：劉 飚）