Al2O3-H2O纳米流体布朗运动实验研究

王美霞，刘 斌，郭 蘅( 天津商业大学，天津 300134 )

Al2O3-H2O纳米流体布朗运动实验研究

王美霞，刘 斌，郭 蘅
( 天津商业大学，天津 300134 )

使用VIC-2D、mATLAB、Linksys32、Image-Pro Plus和Origin8.5等软件，以Al2O3-H2O纳米流体为实验材料，分析降温过程中粒径(50、100、500nm)和浓度(0.01%、0.05%、0.1%)不同时其内部颗粒的布朗运动并验证其随机性，总结降温过程中单个Al2O3-H2O纳米颗粒团聚体的运动轨迹、速度以及Al2O3-H2O纳米颗粒团聚体的表面积、直径随时间和温度的变化关系。结果表明：显微镜整个视野范围内纳米流体的平均、最大直径和平均、最大面积分别随时间、温度的变化近似服从正弦分布；降温速率相同时，不同粒径和质量分数的Al2O3-H2O纳米流体呈现最佳分散性的时刻与温度各不相同。该实验结果为后人探究完善纳米流体的布朗运动提供了一定的参考数据和理论依据，甚至对全面系统地表征纳米流体的微观结构、建立其热物理参数和热学特性测试的标准化仪器、规范和测试条件也是必要的。

Al2O3-H2O纳米流体；布朗运动；分散性

0 前言

当前，全球能源与环境形势严峻，寻求高效、环保的新能源以促进节能减排迫在眉睫。纳米流体作为一种新型传热工质，是将直径为1～100nm的颗粒以一定的方式、比例添加在基液中形成的[1]，以良好的传热性能、较大的蓄/释冷量、相变时更为稳定等突出优点[2-4]，从一出现便赢得广大研究人员青睐[5-6]。纳米流体可替代水介质(导热系数低，蓄冷传热慢，且成核需要一定过冷度，系统的COP较小[7])作为新一代蓄冷工质，推动强化传热技术和相变蓄冷领域的发展；近年来无机纳米颗粒与亚微米级胶乳复合而成的新型智能涂料也日益增多[8-9]，满足环保要求的同时，提升了工业与建筑行业的质量标准等，可想而知随着纳米流体研究技术的深入，其未来的应用领域将不可限量。

布朗运动一般认为是由于分子撞击而产生的悬浮微粒的无规则运动。它具有无规则、永不停歇和颗粒越小，温度越高，运动越明显的特点，纳米流体中也存在布朗运动，如：释冷传热过程中，由于布朗运动纳米颗粒在基液中随着温度的降低会产生聚沉现象，导致COP降低；在新型智能涂料干燥过程中，粒子布朗运动会影响涂层结构，使得在涂层厚度方向大小粒子分布不均匀[8-9]等。所以探究纳米流体布朗运动对于将其应用于强化传热、解决涂料中颗粒迁移问题和探讨优化现存工业问题的可行性具有重大意义。

同时，目前布朗运动的实验和理论研究已比较丰富，但对于纳米颗粒团聚体的布朗运动仍关注较少，且大量关于布朗运动的研究主要集中于实验和理论扩散系数的对比，而纳米微粒在布朗运动过程中其他参数(如面积、直径和速度)的变化及其规律几乎无人关注。故笔者所在课题组以Al2O3-H2O纳米流体为实验材料，对以上布朗运动参数变化进行观察总结，得到一些可靠结论，可为完善纳米流体布朗运动体系提供实验与理论根据。

1 材料与方法

1.1 材料与设备

本实验所用材料：Al2O3-H2O纳米流体，由杭州万景新材料有限公司提供，粒子形状基本为球形或类球形，呈较好的单分散性，Al2O3-H2O纳米颗粒直径分别为50、100、500nm，质量分数均为20%；去离子水，我校生食学院实验室自制，纯度较高。

本实验所用设备：手动滴液器，超声波震荡仪，电子天平，差示热扫描量热仪(DSC)，低温显微镜(BX51/Olympas)，DSA30(德国KRUSS公司生产)。

1.2 实验方案

1)用去离子水对粒径为50、100、500nm，质量分数为20%的Al2O3-H2O纳米流体进行稀释，稀释后质量分数分别为0.01%、0.05%、0.1%，此时获得试验材料；

2)手动滴液器内装有配置好的Al2O3-H2O纳米流体，按照每次两滴的标准，滴在盖玻片上，然后将盖玻片上的液滴均匀涂抹开(利用DSA30和连接电脑的高速摄像机CCD测得液滴体积为0.580μL/滴；盖玻片尺寸24×24mm，厚度0.13～0.17mm)；

3)对不同粒径(50、100、500nm)和不同浓度(0.01%、0.05%、0.1%)的Al2O3-H2O纳米流体进行降温，降温速率依次为1、5、10℃/min；

4)放置一段时间，待液体在盖玻片上的温度达到14.7℃(实验开始时的温度)后，利用低温显微镜(BX51/Olympas)对实验过程进行观察，并利用Linksys32对实验过程进行原始图像采集，拍照时间间隔为0.5s，同时利用屏幕录像软件对降温过程中微粒的运动进行记录；

5)然后对每次实验所得原始图像用VIC-2D、mATLAB、Image-Pro Plus和Origin8.5等软件进行分析。

2 实验结果与分析

利用Image-Pro Plus等软件对原始图像进行处理，可知不同时刻和不同温度下，不同粒径(50、100、500nm)和不同浓度(0.01%、0.05%、0.1%)的Al2O3-H2O纳米流体在盖玻片上的分布情况，得到每一分组中Al2O3-H2O纳米颗粒团聚体的面积和直径随时间和温度的变化关系，从而可统计单个纳米颗粒团聚体的长大和运动轨迹以及纳米颗粒团聚体的最大面积、平均面积和最大直径、平均直径随时间和温度的变化趋势。由于本实验按照颗粒、质量分数和降温速率的不同分为27组，实验处理所得数据与图像较多，不便一一列出，笔者以现有条件又无法将不同实验组的某些结果进行汇总比较，这是本实验不足之处。下面以粒径50nm，质量分数0.01%，降温速率1℃/min的Al2O3-H2O纳米流体为例，称为代表组，说明实验结果及其意义。

2.1 随机性验证

使用VIC-2D软件可观测出各组Al2O3-H2O纳米流体的流动方向和流场情况，由mATLAB进一步处理可得到纳米颗粒的速度矢量图，每一分组的图形呈现相似的规律。图1是t=0.5s时代表组中纳米颗粒的速度矢量图，可以看出，不同的纳米颗粒具有不同的速度矢量，呈现爆炸式排列，从而验证纳米颗粒的移动方向毫无规律，其布朗运动是无规则的，随机性的。

整体效果图 局部放大图图1 速度矢量图

2.2 不同时刻、温度下单个团聚体的长大以及运动轨迹

对每一分组进行实验观察，利用Linksys32进行图像采集获得原始图像，同时利用屏幕录像软件对降温过程中微粒的运动进行记录。然后用Image-Pro Plus处理各组原始图像可得到不同时刻和温度条件下每个纳米颗粒团聚体的分布情况，以及其中心位置对应的坐标。如图2所示t=186s，T=11.6℃时代表组的有关情况，图中红色表示纳米颗粒团的边界线，绿色为每个团聚体的编号，右下角为照片标尺，单位为微米(μm)。

同样，每一分组中可定义追踪粒子团，利用Origin进行数据处理，得到追踪粒子团在不同时刻和温度(6～366s、14.6～8.6℃)下其面积、位置、尺寸的变化，并拟合得到各参数的变化曲线，代表组中追踪粒子团的相关参数分别如图3至图6所示。在366s之后，纳米颗粒由于自身的布朗运动，以及冷台本身的振动，移动出显微镜的视野之外，因此停止分析。为了对比，对后面几组实验数据的分析也采用此温度范围。

图3为追踪粒子团的运动轨迹，在此时间和温度范围内该粒子团的运动轨迹比较接近直线。图4显示该粒子团面积随时间延长、温度降低而不断波动，但由其拟合曲线可看出，其总体趋势为不断增大，原因可能是纳米颗粒在重复“碰撞—结合—分离”的过程中，结合效应大于分散效应，因此不断团聚“长大”。特别地，该粒子团随温度的降低而面积增大，可能是温度越低，Al2O3-H2O纳米流体扩散系数越小，粘度越大，运动逐渐变弱，因此更容易团聚。图5中尺寸的变化与面积的变化趋势相同，可辅助证明上述推测。

本实验设置显微镜的拍照间隔是0.5s，因此通过相邻两张照片中同一追踪粒子团的坐标变化求得不同时刻和温度下的速度，并拟合得到速度与时间、温度的近似函数关系，如图6所示。由图可知，纳米颗粒的速度随时间和温度变化而不断波动，由其拟合得到的非线性函数可知，速度随时间延长和温度的降低均呈现先降低后增大的趋势，但这并不违背“布朗运动随温度升高而愈加剧烈”的规律，因为本实验只是追踪了一个离子团，而后者指的是整个体系中所有颗粒的布朗运动，所以本实验中平均参数的参考价值会是更大。

图2 t=186s，T=11.6℃时代表组的分布情况

图3 轨迹曲线

图4 粒子团面积分别随温度和时间的变化

图5 当量直径，长度和宽度分别随温度和时间的变化

图6 速度分别随温度和时间的变化

图3至图6虽拟合得到代表组中粒子团参数与时间和温度的关系曲线，但只是用来分析其变化趋势，由于布朗运动的随机和无规则性，同样温度下不同粒子团具体的运动可能不同，但其变化趋势却是相似的，其他分组的实验结果证明了该结论。

2.3 不同时刻、温度下粒子团的最大和平均面积、最大和平均直径

对每一分组实验所得直径和面积进行统计，利用origin处理该数据，得到追踪粒子团的最大面积、平均面积和最大直径、平均直径分别与时间和温度的变化关系及其拟合曲线，分别如图7至图10所示。可以看出降温过程中，纳米颗粒团聚体的该参数均随时间和温度不断波动，忽大忽小，近似符合正弦分布。由此验证布朗运动规律，看似静止的纳米流体内部，纳米颗粒在不断运动，并不停重复“碰撞—结合—分离”的过程。

当时间为366s，温度为8.7℃时，代表组中的追踪粒子团的最大、平均面积和最大、平均直径都取得极小值，因此在这一时刻综合评估所得的分散性最好。同理，其他分组的该参数亦可分别取得最小值，得到综合评估分散性最好的一点，但是由于纳米颗粒粒径、质量分数和降温速率不同的影响，各个分组实验所得值分别不同，如表1列出了部分分组中分散性最好的时刻和温度。

图7 最大面积分别随时间与温度的变化

图8 平均面积分别随时间与温度的变化

图9 最大直径分别随时间与温度的变化

图10 平均直径分别随时间与温度的变化

3 结论

3.1 分散性与时间和温度的关系

降温过程中，显微镜整个视野范围内纳米流体的平均、最大直径和平均、最大面积分别随时间、温度的变化近似服从正弦分布。

表1 分散性最好的时刻和温度

质量分数粒径/nm时间/s温度/℃0.01%503668.71004285.75004976.70.05%506245.210010021.6500361.59.6

降温速率为1℃/min时，质量分数为0.01%，不同粒径(50、100、500nm)的Al2O3-H2O纳米流体分散性最好的时间与温度值：t=366s，T=8.7℃；t=428s，T=5.7℃；t=497s，T=6.7℃；质量分数为0.05%，不同粒径(50、100、500nm)的Al2O3-H2O纳米流体分散性最好的时间与温度值：t=624s，T=5.2℃；t=1002s，T=1.6℃；t=361.5s，T=9.6℃。

3.2 速度与温度的关系

降温过程中不同分组的Al2O3-H2O纳米颗粒团聚体速度随着温度的变化趋势相同，即速度随温度的降低均呈现总体降低趋势，但以下实验结果：同样的降温速率下，质量分数为0.01%，不同粒径(50、100、500nm)的Al2O3-H2O纳米流体在9.6～13.6℃范围内的速度排序，依次为V500nm

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The Research on the Brownian motion of Al2O3-H2O Nanofluids

WANG meixia，LIU Bin，GUO Heng

( Tianjin University of Commerce，Tianjin 300134， China )

With the help of VIC-2D，mATLAB，Linksys32，Image-Pro Plus and Origin8.5 named software，we carried out experiments on the nanoparticles motion in Al2O3-H2O nanofluids of different particle sizes(50，100，500)and different mass fraction(0.01%、0.05%、0.1%)to analyze its Brownian motion and verify its stochastic in the temperature reducing process.And the changes of the trajectories and velocities of single nanoparticles aggregate and the surface and diameters of the nanoparticles aggregates with time and temperature are summarized during the process of cooling.The results show that，firstly，the variation of the diameter and surface of the nanoparticles in the whole field of the visual of the microscope is approximately subject to the sine distribution.secondly，when the cooling rate is same，the moments and temperature of the best dispersion of Al2O3-H2O nanofluids are found to be different with the mass fraction or the particle sizes changing.The results can provide a theoretical basis for later experiments and analysis on researching and improving the Brownian motion of nanofluids，even it is of great necessity for expressing systematically the micro-structure of nanofluids，and establishing its thermal physical parameters，and standard instruments， specifications and test conditions for thermal characterization testing.

Al2O3-H2Onanofluids；Brownian motion；Dispersion

2016-9-24

天津市科委基金项目(15JCTPJC64300)

王美霞(1992-)，女，硕士研究生，主要从事制冷系统优化及节能技术的研究。Email:tingting521xia@163.com

ISSN1005-9180(2016)04-022-07

O351.2文献标示码：A

10.3696/J.ISSN.1005-9180.2016.04.004