温度对Al2O3-H2O纳米流体粘度特性影响研究*

牛广清， 凌智勇， 张忠强， 黄跃涛

(江苏大学 微纳米科学技术研究中心，江苏 镇江 212013)

温度对Al2O3-H2O纳米流体粘度特性影响研究*

牛广清， 凌智勇， 张忠强， 黄跃涛

(江苏大学 微纳米科学技术研究中心，江苏 镇江 212013)

采用“两步法”制备了质量分数分别为0.1 %,0.5 %,1 %的Al2O3-H2O纳米流体，研究了温度在25～50 ℃范围内纳米流体粘度和相对粘度的变化规律,发现粘度随温度的升高而减小,而相对粘度随温度升高的变化与纳米粒子质量分数有关。质量分数w=0.1 %和w=0.5 % 时,纳米流体相对粘度随温度升高几乎不发生变化，w=1 %的纳米流体相对粘度随温度升高变化幅度较大；同时发现温度保持在50 ℃时，w=0.1 %和w=0.5 %的纳米流体粘度随恒温保持时间的延长变化很小，而w=1 %的纳米流体粘度却减少了14.0 %，经恒温保持24 h后自然冷却的纳米流体再次加热，发现其粘度较之前整体有所下降。

微机电系统； 纳米流体； 粘度； 相对粘度； 恒温

0 引 言

随着微机电系统的迅速发展[1]，传统的换热工质(水、油、醇)已很难满足高传热强度和微系统散热等特殊条件下的传热与冷却要求，纳米流体与之相比，具有导热系数高、传热热阻小、不易堵塞通道等优点，从而引起科学技术领域的广泛关注[2～4]。粘度是流体流动时所表现出的内摩擦阻力,对流体流动过程中传质和换热的影响极大，因此,研究纳米流体粘度特性，对将纳米流体应用于实际的能量输运过程十分有必要[5]。Murshed S等人[6]研究了体积分数对Al2O3-H2O和Ti2O-H2O纳米流体粘度的影响，发现体积分数为5 %的Al2O3和Ti2O纳米流体的粘度比基液粘度分别提高了82 %和86 %。Rohini P K等人[7]研究了极低浓度CuO-H2O纳米流体的粘度与温度及纳米粒子体积分数之间的关系，发现纳米流体的粘度随温度升高而减小，随粒子体积分数的增加而增大。Hachey M A等人[8]研究了Al2O3-H2O和Al2O3-EG纳米流体在三种不同加热状态时的粘度特性，认为粒子团聚是纳米流体产生粘度“回滞现象”的主要原因。

本文主要研究了Al2O3-H2O纳米流体的粘度和相对粘度受温度与粒子质量分数变化的影响，探讨了在长时间保持恒温状态时Al2O3-H2O纳米流体粘度的变化规律，以及对经恒温保持后自然冷却的纳米流体再次加热，其粘度随温度的变化特性。

1 实 验

本文采取如图1所示的实验装置研究Al2O3-H2O纳米流体的粘度特性。实验仪器采用SK1200H型超声清洗器(59 kHz,45 W)，NDJ—5S数字粘度仪(测量精度为±2 %)，DF—2集热式磁力加热搅拌器(控温范围为0～100 ℃，转速范围为0～1250 r/min)，精度为0.01 g的JJ300电子天平和SC—5A数字恒温箱(精度为0.01 ℃)等。实验选取Al2O3纳米粒子的平均粒径为35 nm，基液选择去离子水。“两步法”制备纳米流体的具体操作流程如下：先用电子天平分别称取一定量的Al2O3纳米粒子和去离子水，然后将纳米粒子与相应质量的基液混合并用玻璃棒搅拌均匀，再置于磁力搅拌器中机械搅拌30 min，最后放入超声清洗器中超声振动1 h，即完成纳米流体制备。制备过程中未添加任何表面活性剂，以避免对纳米流体粘度产生影响。需注意：应保持粘度计顶部的水平气泡始终处于中心位置，并采取多次测量取平均值的方法，以提高实验结果的可靠性。

图1 粘度测量实验系统Fig 1 Experimental system for viscosity measurement

2 结果分析与讨论

2.1 测量Al2O3-H2O纳米流体的粘度

实验首先测得温度在25～50 ℃范围内去离子水(DW)的粘度，并与标准值[9]对比。如图2所示，去离子水的粘度测量值随温度变化与标准值吻合良好，二者之间的最大偏差仅为1.71 %，可认为系统精度满足实验要求。

图2 去离子水的粘度测量值与标准值对比Fig 2 Comparison of DW viscosities measurement value and standard value

图3所示为温度在25～50 ℃范围内，质量分数为0.1 %,0.5 %和1 %的Al2O3-H2O纳米流体粘度随温度变化情况。发现在相同温度下，Al2O3-H2O纳米流体的粘度随纳米粒子质量分数的增加而升高，这是因为加入纳米粒子后，直接影响流体内部的剪切效应，使基液在流动过程中克服流体内摩擦阻力消耗的能量增加，纳米粒子之间和纳米粒子与水分子之间的内摩擦阻力增大，所以,表现为纳米流体粘度增大，且随着纳米粒子质量分数的增加，悬浮液中所含纳米粒子越多，流体流动克服内摩擦阻力所消耗的能量也越大，因而,纳米流体粘度随质量分数增大而增大。然而，随着温度的升高，基液分子的热运动加剧，分子运动的平均速度加快，减弱了基液分子间的内摩擦阻力，表现为基液粘度显著减小；即使有纳米粒子的存在，基液的性质仍然居于主导地位，且温度的升高加速了纳米粒子在基液中的布朗运动，弱化了粒子与粒子间的粘附效应，表现为纳米流体粘度随温度升高而下降。

图3 Al2O3 -H2O纳米流体粘度随温度变化Fig 3 Viscosities of Al2O3 -H2O nanofluids vary with temperature

2.2 测量Al2O3-H2O纳米流体相对粘度

随着温度的升高，纳米流体的相对粘度μr=μnf/μf(μnf,μf分别表示为纳米流体的粘度和基液粘度)也会相应发生变化。如图4所示，纳米粒子质量分数越大，纳米流体的相对粘度越大；对于w=0.1 %和w=0.5 %的纳米流体来说，其相对粘度在25～50 ℃的温度范围内变化幅度较小(2.52 %,3.39 %)，而w=1 %时，相对粘度变化幅度较大(9.59 %)。分析其原因：基液的性质对较低质量分数的纳米流体粘度影响极大，导致温度升高时其相对粘度的变化较小，而纳米粒子含量较高时，粒子间碰撞团聚的几率增大，且随着温度的升高，纳米粒子布朗运动加剧，基液性质对纳米流体粘度影响减小，使得在相同温度下，纳米流体粘度的减小就有所滞后，表现为其相对粘度随温度的升高而增大。这与Nguyen C T等人[10]研究发现的粘度“回滞现象”存在相似之处。

图4 Al2O3 -H2O纳米流体相对粘度随温度变化Fig 4 Relative viscosities of Al2O3- H2O nanofluids vary with temperature

2.3 恒温保持对Al2O3-H2O纳米流体粘度的影响

保持Al2O3-H2O纳米流体温度在50 ℃时，其粘度变化如图5所示。发现不同质量分数的Al2O3-H2O纳米流体经过恒温水浴法加热后粘度变化不尽相同。对于w=0.1 %和w=0.5 %的纳米流体，其粘度在恒温保持中变化不甚明显，而w=1 %的纳米流体粘度变化相对较大，随恒温保持时间的延长其粘度逐渐下降，最大下降14.0 %。这是因为高温会弱化纳米粒子间的粘附效应，随着恒温保持时间的延长，弱化作用效果就越明显，低质量分数的纳米流体粘度就相对趋于稳定。然而，粒子质量分数较高时，粒子之间碰撞发生团聚的几率增加，其粘度也就随团聚程度的增强而减小。

图5 纳米流体粘度随恒温保持时间的变化Fig 5 Viscosities of Al2O3 -H2O nanofluids vary with time under constant temperature

经恒温保持24 h后，自然冷却纳米流体至室温，再次进行加热，得到的纳米流体粘度随温度变化情况如图6所示。对比恒温保持前纳米流体的粘度随温度变化规律，发现相同质量分数的纳米流体，经长时间恒温保持后比之前其粘度随温度变化整体有所下降，并且下降的程度与质量分数相关。w=0.1 %，w=0.5 %的纳米流体下降幅度较小,最大下降分别为3.61 %，5.15 %，w=1 %的纳米流体则下降幅度较大,最大下降为11.6 %。这说明长时间加热后粒子间的粘附效应会被进一步弱化，而这种弱化作用在降温的过程中可能没有得到完全恢复；另一方面，纳米流体在实验过程中不可避免会产生一定团聚和沉淀，从而纳米流体的粘度也会相应有所减小，这些可能就是所谓的粘度“回滞现象”[10]产生的主要原因。

图6 再次加热后的纳米流体粘度随温度变化Fig 6 Viscosities of reheated Al2O3 -H2O nanofluids vary with temperature

3 结 论

本文采用“两步法”制备了不同质量分数的Al2O3-H2O纳米流体，对纳米流体的粘度实验研究结果表明：温度越高纳米流体粘度越低；而相对粘度与温度之间的关系和纳米粒子的质量分数有关。对制备的纳米流体维持长时间的50 ℃恒温水浴加热，发现其粘度会随着恒温保持时间的延长发生变化，且与纳米粒子质量分数有一定联系。待恒温保持24 h的纳米流体自然冷却至室温后，再次进行加热，发现在相同温度下，经长时间恒温保持的纳米流体粘度比之未经长时间恒温保持的纳米流体粘度整体会有所降低，且纳米粒子质量分数越大，下降幅度越明显。

[1] 陆敬予,张飞虎,张 勇.微机电系统的现状与展望[J].传感器与微系统,2008,27(2):1-7.

[2] 谢华清,陈立飞.纳米流体对流换热系数增大机理[J].物理学报,2009,58(4):2513-2517.

[3] 肖波齐,范金土,蒋国平,等.纳米流体对流换热机理分析[J].物理学报,2012,61(15):154401.

[4] 周登青,吴慧英.乙二醇基纳米流体黏度的实验研究[J].化工学报,2014,65 (6):2021-2026.

[5] 宣益民,李 强.纳米流体能量传递理论与应用[M].北京:科学出版社,2010：107-109.

[6] Murshed S,Leong K,Yang C.Investigations of thermal conducti-vity and viscosity of nanofluids[J].International Journal of Thermal Sciences,2008,47(5):60-68.

[7] Rohini P K,Suganthi K S,Rajan K S.Transport properties of ultra-low concentration CuO-water nanofluids containing non-sphe-rical nanoparticles[J].International Journal of Heat and Mass Transfer,2012,55(17):4734-4743.

[8] Hachey M A,Nguyen C T,Galanis N,et al.Experimental investigation of Al2O3nanofluids thermal properties and rheology-Effects of transient and steady-state heat exposure[J].International Journal of Thermal Sciences,2014,76:155-167.

[9] Astle M J.CRC handbook of chemistry and physics[M].Boca Raton:CRC Press,1988:40.

[10] Nguyen C T,Desgranges F,Roy G,et al.Temperature and particle-size dependent viscosity data for water-based nanofluids-hysteresis phenomenon[J].International Journal of Heat and Fluid Flow,2007,28(6):1492-1506.

Research on influence of temperature on viscosity property of Al2O3-H2O nanofluid*

NIU Guang-qing, LING Zhi-yong, ZHANG Zhong-qiang, HUANG Yue-tao

(Center of Micro/Nano Science & Technology,Jiangsu University,Zhenjiang 212013,China)

An experimental investigation employing two-step method is conducted on the viscosities and relative viscosities of Al2O3-H2O nanofluids with mass fractions of 0.1 %,0.5 % and 1 % at range of 25～50 ℃.The results show that viscosities decreased with temperature increasing;however,relative viscosities change with temperature increasing which are related to mass fractions of nanoparticles.Relative viscosities of nanofluids vary barely with temperature rising with fractions ofw=0.1 % andw=0.5 %,whereas amplitude of temperature variation is greater in higher concentration,w=1 %.Simultaneously,it is demonstrated that while temperature is kept at 50 ℃,no significant variation in viscosities of nanofluids withw=0.1 % andw=0.5 %,while viscosities of nanofluids withw=1 % decrased by 14.0 %.Furthermore,an overall decline happened to those viscosities of nanofluids reheated after cooling naturally comparing with the viscosities of nanofluids without keeping constant temperature at 50 ℃ for 24 h.

MEMS; nanofluid; viscosity; relative viscosity; constant temperature

10.13873/J.1000—9787(2015)12—0054—03

2015—03—16

国家自然科学基金面上项目(11472117)；国家自然科学基金青年基金资助项目(11102074)

O 357.1

: A

: 1000—9787(2015)12—0054—03

牛广清(1989-),男,河南南阳人,硕士研究生,主要研究方向为微机电系统散热与纳米流体输运参数研究。