纳米流体导热系数研究谢华清1,2，奚同庚2（1.上海第二工业大学环境工程系，上海201209；2.中国科学院上海硅酸盐研究所，上海200050）摘要：用热丝法测量了分别由氧化铝纳米粉体和碳纳米管加入到多种基体液体中制备成的系列纳米流体的导热系数，研究了纳米流体导热系数相对增加量（增加率）与固相体积含量、基体流体导热系数以及粉体种类的关系。结果表明，纳米流体导热系数增加率随固相体积含量的增加几乎呈线性增大，并随基体流体导热系数的增大而减小，在相同条件下，含碳纳米管纳米流体的导热系数增加率大于含氧化铝纳米粉体纳米流体的导热系数增加率；纳米流体导热系数增加率远比现有理论（如HC模型）预测值大，受各种因素的影响表现出特异性。关键词：强化传热；导热系数；纳米流体；碳纳米管；氧化铝纳米粉体：TB383文献标识码：A0引言纳米流体作为应用于热能交换系统的高效介质，是一个崭新的具有丰富科学内涵和重要工程价值的研究领域。纳米流体介质，是指把金属或非金属纳米粉体分散到水、醇、油等传统换热介质中，制备成均匀、稳定、高导热的新型换热介质[1]。众所周知，常温下固体材料的导热系数要比流体大两个数量级。可以预计，在流体中加入固体颗粒会提高导热系数。但是，如果悬浮液内的固体颗粒粒径太大，那么固体颗粒易于沉降，无法形成长期稳定的悬浮液系统，而且还可能堵塞和磨损管道，因此，在工业上就很难得到应用。纳米流体克服了大颗粒悬浮液的缺点：由于布朗运动，悬浮液内纳米颗粒不易沉降[2]，从而有利于形成稳定的悬浮液；纳米尺度的颗粒也很容易通过微流道，这为工业应用提供了基础；由于纳米材料具有大的比表面积和高的比热，纳米流体因而具有良好的换热能力；另外，纳米流体内的纳米颗粒还有可能起到润滑流道的作用[3]。近几年，纳米流体已成为传热和材料研究领域的热点方向之一，其优异性能和应用前景的探索备受关注。国内外不少知名大学和先进研究机构的项目组，如美国Argonne国家实验室Choi研究小组、英国利兹大学Ding研究小组、印度理工大学Das研究小组、清华大学王补宣院士研究小组、南京理工大学宣益民教授研究小组和本文作者领导的研究小组，都相继开展了纳米流体强化传热相关的研究。研究中的纳米流体系统包括氧化铝、碳化硅、氧化铜、碳管、氧化硅、氧化钛或铜等纳米粉体加入到水、醇或机油等基体流体中而制备成的纳米流体；研究的热物理和传热性能包括导热系数、对流换热系数和沸腾传热临界热流等[4–12]。Choi指出，相同的热负荷下，若要使散热器的传热效率提高2倍，使用传统流体工质时，需要增加10倍泵功率，而使用导热系数增大了3倍的纳米流体作为传热介质时，则几乎不需要增加泵功率[1]。Eastman等[8]测试了含有直径约为10nm的铜纳米颗粒的纳米流体的导热系数，结果显示，仅仅以0.3%的体积比在乙二醇中添加铜纳米颗粒，形成的纳米流体导热系数比乙二醇提高40%以上。在水中添加2%的铜纳米颗粒，具有相同雷诺数的管内流的换热系数提高60%，而流阻系数几乎不增加[9]。Lee等[12]尝试用纳米流体和微型换热器建立高效冷却系统，并用于解决高强度X射线照射下镜片的散热，结果显示，在优化的换热器结构下，冷却强度可以达到30MW/m2。一些研究工作探讨了纳米流体强化传热的机制。一般认为，固液界面处液体分子规则排列，纳米颗粒布朗运动，纳米颗粒内能量非线性传输以及纳米颗粒形态对纳米流体内传热行为有重要影响[7,13–16]。导热系数是反映介质换热能力的主要参数，具有重要的理论和应用意义。本工作运用热丝法测量分别由氧化铝纳米粉体和碳纳米管加入到多种基体流体中制备成的系列纳米流体的导热系数，进而研究纳米流体导热系数增加率与固相体积含量、分散介质导热系数以及粉体种类的关系。1实验采用两步法制备纳米流体。把粉体和液体按需要的比例组合后，经磁力搅拌器混合15min，再用超声分散15min，最后用磁力搅拌15min，使悬浮液形成均匀且分散性好的纳米流体。由于纳米粉体的体积难于测定，实验中根据纳米粉体的质量百分比来计算体积百分比，具体计算式为：（1）式（1）中，ρA和ρ0分别为粉体和基体液体的密度，φ和φw分别为粉体的体...