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凌智勇;孙东健;张忠强;丁建宁;程广贵;钱龙;张睿
【摘要】TiO2-waternanofluidswithdifferentconcentrationwerepreparedbythetwo-stepmethod,-40°-,-mentaldata,whichcorrectedthepreviousequationsandcouldwellpredicttheexperimentalresultsofTiO2-wa-ternanofluids.%采用“两步法”制备了含有不同质量分数的TiO2-水纳米流体,并观察了其稳定性•测量了不同质量分数的纳米流体在15~40C时的粘度,结果表明,纳米流体的粘度随颗粒浓度的增加而增大,随温度的升高而以指数形式降低,,对已有粘度计算公式进行修正,提出了涉及温度和颗粒浓度的纳米流体粘度计算公式.
【期刊名称】《功能材料》
【年(卷),期】2013(044)001
【总页数】4页(P92-95)
【关键词】纳米流体;稳定性;粘度;温度
【作者】凌智勇;孙东健;张忠强;丁建宁;程广贵;钱龙;张睿
【作者单位】江苏大学微纳米科学技术研究中心,江苏镇江212013;江苏大学微纳米科学技术研究中心,江苏镇江212013;江苏大学微纳米科学技术研究中心,江苏镇江212013;江苏大学微纳米科学技术研究中心,江苏镇江212013;江苏工业学院低维材料微纳器件与系统研究中心,江苏常州213164;常州市新能源工程重点实验室,江苏常州213164;江苏大学微纳米科学技术研究中心,江苏镇江212013;江苏大学微纳米科学技术研究中心,江苏镇江212013;江苏大学微纳米科学技术研究中心,江苏镇江212013
【正文语种】中文
【中图分类】TK124
1引言
纳米流体这个概念是由美国Argonne国家实验室的Choi在1995年提出的[1]。
与传统的换热工质相比,纳米流体具有导热系数高、换热性能好、传质效果强的特点。因此人们预期该传热工质可以更好地满足航天航空、化工、生物等领域的热交换系统的传热及冷却要求。近几十年来,对纳米流体的研究主要侧重于导热性能
[1-3]和沸腾换热性能[4,5]等方面,而对粘性的研究相对较少。粘度和导热系数一样,也是纳米流体的主要运输参数,对流动及换热过程起着重要作用。因此有必要对纳米流体的粘度进行深入的研究。MadhusreeKole等[6]研究了AI2O3-汽车冷却液纳米流体的粘度与温度和纳米颗粒体积分数之间的关系,结果表明纳米流体的粘度随温度的升高而减小,随颗粒体积分数的增加而增大。
Nguyen等[7]发现,虽然AI2O3-水纳米流体粘度随温度的升高而减小,但在高浓度的纳米流体中会出现一个临界温度,当温度高于此温度时,纳米流体的粘度随温度的升高反而会增大。
本文旨在研究颗粒浓度和温度对TiO2-水纳米流体粘度的影响,并提出了一个涉及温度和颗粒浓度的粘度计算公式。选用TiO2-水纳米流体进行研究是因为TiO2纳米颗粒具有安全无毒、价格便宜、来源容易、热稳定性好的优点。此外TiO2-水纳米流体具有较高的导热系数、良好的换热性能,因此可以预见在蓄冷工业中,把它作为新型蓄冷介质[8-10]具有广泛的应用前景。
2实验
、方便,适用于各种纳米流体的制备,因此本文采用“两步法”%、%、%、%%的TiO2-水纳米流体,其制备流程如图1所示。所用材料包括平均粒径为35nm的TiO2纳米颗粒,去离子水以及作为分散剂的十二烷基苯磺酸钠(SDBS)。
图1纳米流体制备流程图FigiThepreparationmethodofnanofluids首先用JJ3OO型电子天平(测量范围为0~300g,)分别称取—定质量的SDBS、去离子水与TiO2纳米颗粒,然后把SDBS与去离子水混合均匀并放入超声振动仪中进行超声震动,在超声震动的同时加入TiO2纳米颗粒,-水纳米流体。图2(a)是所制备的纳米流体的照片图(%、%、%、%%);图2(b)表示纳米流体的浊度随时间的变化曲线,测量浊度所采用的仪器为SS-2Z悬浮物测试仪(测量范围0~-4)。通过观察纳米流体的浊度随时间的变化趋势,可以了解其稳定性。因为所用悬浮物测试仪量程较小,所以先将各种纳米流体进行不同程度的稀释,再测量其浊度。由图2可见,随着时间的推移纳米流体浊度的变化逐渐变小,最后变化很小甚至几乎不变,说明所制纳米流体在刚制备好时由于粒子团聚等原因[
11]会有少量的沉淀产生,但静置一段时间后其沉淀逐渐减少并达到稳定状态。
,先通过测量去离子水的粘度并与标准值比较来检验NDJ-5S型数字粘度计的精确性。图3是在温度为15~40工的范围内去离子水粘度的测量值与标准值随温度变化的曲线。由图3可见,测量值略高于标准值,这是由仪器误差造成的,%,相差不大,因此仪器的精确度满足实验要求。
图2不同颗粒质量分数的纳米流体的照片及其浊度随时间的变化曲线Fig2Photo
ofTiO2-waternanofluidswithdifferentmassfractionandturbidityvariationcurveswithtime
图3水的标准值与粘度测量值随温度变化的曲线图Fig3Variationcurvesofstandardviscosityvaluesofwaterandexperimentalvalueswithdifferenttemperature
图4所示为温度变化范围为15~40工时,颗粒质量分数分别为0、%、%、%、%%的TiO2-水纳米流体的粘度随温度的变化情况。由图4可见,纳米流体的粘度随温度的升高而降低,随颗粒浓度的增加而升高,这与一些学者的研究结果相似[6,7,12]。出现这种现象是因为温度增加会弱化分子与分子之间、粒子与粒子之间的粘附效应,而粒子浓度的增加直接影响流体内部的剪切效应[7,13]。
图4不同浓度的TiO2-水纳米流体的粘度随温度变化的曲线图Fig4Variationcurvesofviscosityofnanofluidsforvariousmassfractionwithdifferenttemperature
此外,从图4还可以看出不同颗粒质量分数的纳米流体的粘度随温度变化的趋势相似,即都随温度的升高而以指数形式递减,并且减小幅度相近。这说明在颗粒质量分数为0-%时,基液的粘度影响纳米流体的粘度随温度变化的趋势,而颗粒质量分数的增加只能使纳米流体的粘度相对增加,并不能影响粘度随温度的变化趋势。
3纳米流体的粘度计算公式到目前为止,还没有准确计算各种纳米流体粘度的计算公式。这是由各种因素造成的。现有的粘度计算公式很多是由Einstein[14]粘度计算公式演变而来。但这些公式大都只适用于悬浮有毫米或微米级粒子的固液两相混合物,且仅考虑了粒子的体积份额对两相流体粘度的影响,并未考虑其它因素对两相流体粘度的影响。本文研究了温度和颗粒浓度对纳米流体粘度的影响,因为纳米流体的粘度随温度的升高而以指数形式递减,所以涉及温度的粘度计算公式应该是一个指数形式的公式,目前所提出的涉及温度的纳米流体粘度计算公式较少,而提出的指数形式的公式更少,包括文献[12,15-17]。本文结合实验数据并对已有粘度计算公式进行修正,得出了涉及温度和颗粒体积分数的粘度计算公式:
其中,pnf为纳米流体的粘度(mPa・s),t为温度(°C),a和b是与颗粒体积分数①有关的系数,因为纳米颗粒的体积分数难以精确测定,所以本文制备纳米流体时采用颗粒的质量分数申m,计算式时再将其转化成体积分数,其转化公式
[13]为:
用式(1)对实验数据进行拟合,其相关系数R2>,说明拟合情况良好。图5~9分别为不同颗粒质量分数时,TiO2-水纳米流体在不同温度下的粘度测量值及其拟合曲线,从图中可以看出拟合曲线与实验数据相吻合。
%TiO2-%%TiO2-%withdifferenttemperature此外,根据拟合公式可以得出a和b的表达式分别为:
%TiO2-%%TiO2-%%TiO2-%withdifferenttemperature4结论
采用“两步法”制备了不同颗粒质量分数的TiO2-水纳米流体,并通过测量其浊度来观察其稳定性。结果表明,所制纳米流体在刚制备好时会有少量的沉淀产生,但静置一段时间后其沉淀逐渐减少并达到稳定状态。
(2)测量了不同质量分数的纳米流体在15~40工时的粘度。结果表明,纳米流体的粘度随颗粒浓度的增加而增大,随温度的升高而减小,且各种浓度的纳米流体的粘度随温度变化的趋势相似,即都随温度的升高而以指数形式递减,并且减小幅度相近。
(3)结合实验数据,并对已有粘度公式进行修改,得出了一个涉及温度与颗粒浓度的粘度计算公式,并且该公式与实验数据相吻合。
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