金属氧化物纳米流体的导热系数和粘度模型

Omer A. Alawi a, Nor Azwadi Che Sidik a,b,uArr;, Hong Wei Xian b, Tung Hao Kean b, S.N. Kazi

马来西亚Teknologi大学机械工程学院热流系，马来西亚，柔佛州，马来西亚机械精密工程系，马来西亚-日本国际理工学院(MJIIT)，马来西亚，吉隆坡，Jalan Sultan Yahya Petra (JalanSemarak)，吉隆坡，54100

马来西亚马来亚大学机械工程系，吉隆坡50603

关键词:金属氧化物纳米流体 热导率 动态粘滞度 纳米颗粒的形状

摘要

十多年来，研究人员致力于测定和模拟纳米流体的有效导热系数和粘度。近年来，利用基体流体中的纳米级固体颗粒材料(金属或非金属)悬浮液强化传热，对对流换热进行了大量的理论和实验研究。这项工作的主要目的是测定不同类型的金属氧化物(Al2O3、CuO、SiO2和ZnO)在300 - 320k温度下1-5 vol%的纳米颗粒浓度和纳米颗粒形状(叶片、血小板、柱状、砖状和球形)的导热系数和粘度。结果表明，金属氧化物纳米流体的有效导热系数和导热系数比随着温度和纳米颗粒体积分数的增大而增大，而纳米颗粒尺寸的增大而减小。此外，得到的有效粘度和粘度比结果表明，随着纳米颗粒浓度的增加，有效粘度和粘度比也有较大的提高。因此，在形成能够提高热系统性能的纳米流体时，必须确定最佳的纳米颗粒浓度。最后发现纳米颗粒的形状对纳米流体的热物理性质有很大的影响。

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1.介绍

纳米流体是通过在基液中加入固体纳米颗粒而获得的一类新型传热工质。Choi[1,2]首次使用纳米流体这一术语，他揭示了在低体积分数下纳米颗粒与传统流体(如乙二醇、甘油、油和水)的均质混合可能显著提高其热性能。由于纳米流体可能对众多工程应用产生影响[3-5]，其重要性在一些文献中得到了强调，因此纳米流体一直吸引着越来越多的研究人员[6-8]回顾Wang和Mujumdar[9]、Trisaksri和Wongwises[10]、Daungthongsuk和Wongwises[11]、Khattak et al.[12]和Murshed et al.[13]的文章。这些详细的文献中最重要的发现之一是由Maxwell[14]、Hamilton和Crosser[15]以及Davis[16]开发的微米和微米颗粒导热系数模型。这些模型和方程描述了纳米颗粒体积分数对混合物导热系数的影响。这导致开发新的理论模型来评估纳米流体的有效导热系数,代表固体/液体边界的特效和micro-mixing对流纳米颗粒布朗运动的影响,提出了Yu and Choi [17], Xue [18], Kumar et al. [19], Koo and Kleinstreuer [20], Jang and Choi [21–23], Xie et al. [24], Patel et al. [25], Ren et al. [26], Prasher et al. [27,28], Leong et al. [29], Xuan et al. [30], Prakash and Giannelis [31], and Murshed et al. [32]等人的模型。然而，这些模型之间存在显著差异，这意味着它们的应用存在局限性。

根据以往的研究，导热系数不仅是纳米颗粒悬浮液对基液的关键影响，而且对基液的动态粘度也起着至关重要的作用。无论是在最大压降增加的强制对流条件下，还是在自然对流条件下，纳米流体运动的强减量，有效动态粘度的现代发展都可能是一个重大的限制。因此，如果计算纳米流体的动态粘度对基液真正有益，那么它的计算就显得至关重要。尽管如此，Einstein[33,34]、Brinkman[35]、Lundgren[36]和Batchelor[37]等人开发的传统胶体分散模型和概念低估了纳米颗粒的动态粘度。然而，最近只提出了有限的方程来描述纳米颗粒的纳米流体流变行为，如Koo和Kleinstreuer[20]，以及Masoumi等人的[38]。事实上，他们的模型包含了依赖于微不足道的调查数据的实验校正因子，因此他们的结果的有效性和可靠性是不确定的。