SiO2-水纳米流体在波壁管内流动特性的实验研究

徐 淼,崔文政,白敏丽,卞永宁,张 亮,吕继组

(1.大连理工大学能源与动力学院,辽宁大连 116023;2.大连理工大学工程力学系,辽宁大连 116023)

0 引 言

目前,全球工业飞速发展,能源问题日益突出,热交换系统的传热强度和传热负荷逐渐增大,普通的风冷和水冷已经很难满足其散热要求,低导热系数的传热工质已经成为研究新一代高效传热冷却技术的主要障碍,将来必须要从工质本身入手研制导热系数高、传热性能好的新型高效换热工质。

美国Argonne国家实验室的Choi[1]在1995年首先提出纳米流体的概念,即将适量金属或者非金属的纳米粒子和液体通过一定方法混合后形成的均匀悬浮液,添加纳米粒子后,液体的导热性能得到显著提高,具有优良的热力学性能,在流动换热方面有着巨大的应用前景。宣益民等[2-3]对Cu-水纳米流体在常规管和小通道扁管内的流动和对流换热特性进行了研究,发现添加纳米粒子可增大液体的管内对流换热系数,但其流动阻力并未明显增大,表明在水中添加少量纳米粒子不会引起附加的阻力损失。戴闻亭等[4]对细圆管内纳米流体的流动特性和对流换热特性进行了研究,发现纳米流体的流动阻力随着温度、粘度以及液体流动状态的变化,也会有一定的影响。

目前关于纳米流体流动换热特性的研究较多[5-6],但均未从可视化角度揭示其强化机理,笔者将通过可视化的方法对纳米流体在波壁管内流动特性进行说明。由于波壁管的结构特点,管内流体易于产生流动分离,实验研究发现,随着雷诺数的逐渐增大,流体流动出现了3种不同的流动形态,即层流、过渡流和湍流。

实验首次将纳米流体应用于波壁管中,对SiO2-水纳米流体在波壁管内进行流动阻力特性及可视化的实验研究,旨在探索不同质量分数对SiO2-水纳米流体流动阻力特性的影响及流态转变的规律,这一研究对于揭示纳米流体强化传热机理具有重要意义。

1 纳米流体的制备

在纳米流体制备过程中,如何使纳米颗粒均匀稳定的分散在液体介质中,形成分散性好、稳定性高的纳米流体是十分关键的。一般来说,有3种方法[7]用来解决纳米流体的悬浮稳定性问题：一是要使用表面活性剂和分散剂;二是使用超声振动;三是要改变悬浮液的pH值。所有这些方法的目的在于通过改变粒子的表面活性,抑制粒子团聚的发生,以获得悬浮稳定的纳米流体。实验所用的纳米流体是在去离子水中添加不同质量分数的SiO2粉末,粒径为20～40nm,然后加入相应份额的分散剂,最后经过60min的超声乳化制备而成的,配制的质量百分数为2%的SiO2-水纳米流体在室内环境下放置10天后(图1所示)没有发现明显分层现象。

图1 质量分数2%的SiO2-水纳米流体照片Fig.1 Images of 2%SiO2-water nanofluids

根据实验要求,对质量分数为2%的SiO2-水纳米流体进行稀释,分别配制质量分数为0.5%、1%、1.5%、2%的SiO2-水纳米流体待用。

2 SiO2-水纳米流体粘度测量

2.1 测量仪器

测量粘度的仪器采用美国BROOKFIELD公司生产的DV-II+Pro型锥板式粘度计,配套控温设备为美国BROOKFIELD公司 TC-102D-230(单热型)恒温油浴。锥板粘度计的测量原理是通过一个经校验过的铍-铜合金的弹簧带动一个转子在流体中持续旋转,旋转扭矩传感器测得弹簧的扭变程度即扭矩,它与浸入样品中的转子被粘性拖拉形成的阻力成比例,扭矩因而与液体的粘度也成正比,所以可以通过测得扭矩得到试样的粘度。试样温度可通过恒温油浴槽精确控制,其温度波动范围为±0.1℃。

测量样品的质量分数分别为0.5%、1%、1.5%、2%的SiO2-水纳米流体。

2.2 测量结果及分析

测量结果如图2所示,相同温度条件下SiO2-水纳米流体粘度随着质量分数的增加而增大,相同质量分数的纳米流体,粘度随着温度的升高而减小,且在全温度段内变化趋势相同。室温20℃时,质量分数为0.5%、1%、1.5%、2%的 SiO2-水纳米流体粘度相对于去离子水的粘度分别增加了 3.9%、7.9%、13.8%和18.8%。

图2 SiO2-水纳米流体粘度Fig.2 Viscosity of SiO2-water nanofluids

3 波壁管内流动测试

3.1 波壁管测试系统技术参数

实验研究所用测试段由入口段、波壁管及出口段三部分组成,其中入口段和出口段的直径均与波壁管的最大直径相同。入口段的主要作用是使进入波壁管的流动获得充分的发展空间,以消除入口效应。为了便于观察流体流动情况,整个波壁管全部以高度透明、易于加工的有机玻璃材料制成。如图3所示,轴对称的波壁管由14个完整的波段组成,每个波段波长λ=14mm,壁面振幅2a=3.5mm,最大直径Dmax=10mm,最小直径Dmin=3mm。

研究所用定常流场实验系统主要由蓄水箱、离心泵、转子流量计、测试段、及热交换器等构成,如图4所示。工作流体由离心泵从蓄水箱中抽取,其净流量通过转子流量计控制;在出口端设置溢流槽以消除重力的影响,从而保证流动状态由层流向湍流转捩时不受外界条件的干扰,能够观察到稳定的流动过程,工作流体的温度由热交换器维持恒定在20℃。

图3 测试段及各模块的几何尺寸Fig.3 Dimensions of the wavy-walled tube and details of employed modules

图4 定常流场实验流程简图Fig.4 Experimental setup for steady flow

3.2 沿程阻力测量系统

在沿程阻力的实验研究中,利用U型管压差计对流路两端的压力差进行测量。测量中将U型管压差计分别与流路入口和出口的测试点相连,如图5所示。进入测试段前的入口长度为1130mm,入口效应可以忽略不计,U型管内装有四氯化碳(CCl4)的指示液。当流体流入U型管内,如果管两端的压力不等,则指示液就在U型管两端出现高差Δh,利用Δ h的数值,再根据静力学基本方程式,就可算出液体两点间的压力差。

图5 压力差测量系统Fig.5 Pressure drop measurement system

3.3 流动可视化拍摄系统

流动可视化拍摄系统如图6所示,为了获得轴对称的截面内流体的流动情况,在蓄水箱中添加直径为40μ m左右的铝粉,使之作为示踪粒子与已经配置好的SiO2-水纳米流体混合制成工作流体。用一个10W的应急灯,使其光源沿一条平行于对称轴方向的窄缝射入所要观察的截面,然后用一台与光敏传感器相连的数码相机来获取流体迹线的可视化照片,从而记录流动的流型。

图6 流动可视化拍摄系统示意图Fig.6 Flow visualization system

4 实验结果和讨论

4.1 实验数据处理

与压力降有关的摩擦系数的公式定义如下

式中,L为两测压孔间的距离,且L=330mm;Δp为流路全长的压力差,在此表示为

式中 ,ρ′是 20℃时 CCl4的密度,ρ′=1595kg/m3;ρ为工作流体的密度,可以用天平称量法获得。管内流速u的计算公式如下

式中,QS为定常流的流量,Dmax为管道最大直径。

波壁管内流体流动的雷诺数可以表示为

式中,u为流体在最大横截面处的速度,ν为流体的运动粘度,ρ为工作流体的密度,μ为工作流体的动力粘度。

4.2 定常流场流动可视化

为了能够对管内的流体流动结构和流动特性进行全面考察,通过可视化实验得到了定常流场下质量分数分别为1%和2%的SiO2-水纳米流体与去离子水的对比流型。根据对流体层流、过渡流和湍流的仔细观察,从下游第5个波段一直到后面的波段,流动行为几乎相同,意味着当流动进入到第5个波段以后可以被认为是充分发展的。因此,后面所有的可视化实验结果都摄自第11个波段。通过可视化照片观察发现：不同质量分数的纳米流体,即使在相同雷诺数的条件下,产生旋涡的位置和旋涡尺寸大小也略有不同,而旋涡是由于边界层分离造成的,可借以观察流体混合强度即流场纵向均匀性。

如图7所示,当Re=78时,纳米流体与去离子水在波壁管内中心主流非常稳定,两边旋涡对称,都处于层流状态,但仔细观察发现,纳米流体的旋涡要比去离子水的旋涡中心略有提前,原因可能是由于纳米流体粘度略大于水的粘度,不容易产生流动分离。当Re=138时,中心主流受到扰动,指示液所形成的流线开始摆动成为不规则波浪形,这种摆动反映了流动不仅具有沿管轴的速度,而且还生成了垂直管轴的分速度,呈现出非周期性的不稳定流动特征,进入过渡流状态,可以明显看出相同雷诺数条件下,纳米流体的纵向运动相对于去离子水显得更加剧烈,质量分数为2%的SiO2-水纳米流体剧烈程度又明显高于1%SiO2-水纳米流体。当Re=238时,中心主流流动都出现混乱,主流与旋涡之间发生了明显的流动交换,整个流动,完全没有秩序,因而都处于湍流状态。通过可视化实验可以看出,纳米流体与水的不同之处在于,纳米流体在波壁管内流动显得更加活跃,纵向混合更加均匀,旋涡数量增多,质量传递特性增强,主要原因是内部纳米粒子的微运动促使流体均匀性更好,纳米流体的质量分数越高,粒子效应就越明显。

图7 SiO2-水纳米流体流动可视化Fig.7 Flowvisualizations of SiO2-water nanofluids

4.3 实验结果分析

实验中利用沿程阻力测量系统,分别测量了去离子水和纳米粒子质量分数为0.5%、1%、1.5%、2%的SiO2-水纳米流体在Re=20～900范围内的压力差。结果如图8所示,纳米流体的压力差随着雷诺数的增加而增大,在相同雷诺数的条件下,纳米流体的质量分数越大,压力差就越大。

图8 压力差与雷诺数的关系Fig.8 Relationship between pressure drop and Reynolds number

根据实验测得的压力差数据,结合公式(1),可以计算出纳米流体在波壁管内的摩擦系数,如图9(a)所示,摩擦系数曲线很明显分为三个趋势,以水为例,在Re＜115时的低雷诺数区域,摩擦系数随雷诺数增加而减小;在115＜Re＜195时,摩擦系数随雷诺数的增加经过最低点而逐渐上升;当Re＞195时,随雷诺数的增加,摩擦系数变化较小。由此可以判定,水在波壁管内Re＜115时的流动范围为层流区域;Re＞195的流域为湍流流域;115＜Re＜195的流动范围即为过渡流流域。对于纳米流体在波壁管内的流动趋势整体上看与水相似,基本上也分为3个区域,只不过是不同质量分数的纳米流体转捩点不一致,质量分数为0.5%的SiO2-水纳米流体转捩点为Re=90,随着质量分数的的提高,转捩点有向后移动的趋势,但是都比去离子水的转捩点提前。

图9(b)所示为层流区流体摩擦系数随雷诺数变化曲线图,对于纳米流体来说,其摩擦系数均比水大,并且相同雷诺数下高质量分数纳米流体(2%)的摩擦系数要比低质量分数(0.5%)的摩擦系数大,表明在波壁管层流段范围内,纳米流体摩擦系数随质量分数的提高有增加的趋势。可能的原因是在层流段,因为流体流速较低,摩擦系数随壁面剪切力影响较大,而壁面剪切力与流体动力粘度有直接关系,所以摩擦系数随着流体动力粘度增加,也就是质量分数的增加而增大。

图9 摩擦系数与雷诺数的关系Fig.9 Relationship between overall friction factor and Reynolds number

随着雷诺数的提高,流动开始向湍流区过渡,如图9(c)所示,在过渡区内流体摩擦系数随着雷诺数的提高而增大,相同雷诺数下纳米流体的摩擦系数依然略高于水的摩擦系数,但是不同质量分数的纳米流体摩擦系数变化特性不明显;当Re＞195时,流动进入湍流区,如图9(d)所示,在湍流区内流体摩擦系数随着雷诺数的提高变化不大。

5 结 论

全面阐述了SiO2-水纳米流体在波壁管内的流动特性,通过流场可视化照片发现相同雷诺数条件下,纳米流体的混乱程度明显高于去离子水,纳米流体的质量分数越高,粒子效应越强烈,混乱程度越明显。通过对波壁管内纳米流体摩擦系数测定,发现在层流区内摩擦系数随纳米流体质量分数的提高而增大,相同质量分数的纳米流体,摩擦系数随着雷诺数的增大而减小;在过渡流和湍流区内纳米流体的摩擦系数随质量分数增加变化不大。

[1] CHOI S U S.Enhancing thermal conductivity of fluidswith nanoparticles[C].Developments and applications of non-Newtonian flows.New York：ASME Press,1995,66：99-103.

[2] XUAN Yi-min,Li Qiang.Investigation on convective heat transfer and flow features of nanofluids[J].Heat Trans,2003,125(1)：151-155.

[3] 李强,宣益民.小通道扁管内纳米流体流动与传热特性[J].工程热物理学报,2004,25(2)：305-307.

[4] 戴闻亭,李俊明,陈骁,等.细圆管内纳米颗粒悬浮液流动特性的实验研究[J].上海理工大学学报,2003,25(2)：121-124.

[5] EASTMAN J A,CHOI S U S,LI S.Development of energy-efficient nanofluids for heat transfer applications[R].Argonne National Laboratory Report,2001

[6] 李强,宣益民.铜-水纳米流体流动与对流换热特性[J].中国科学,2002,32(3)：331-337.

[7] 宋晓岚,吴雪兰,曲鹏,等.纳米SiO2分散稳定性能影响因素及作用机理研究[J].硅酸盐通报,2005,1：3-7.