磁性纳米流体的流动特性研究

吴治将，罗 恒

（1.顺德职业技术学院 能源与汽车工程学院，广东 佛山 528333 2.广东高校热泵工程技术开发中心，广东 佛山 528333 3.顺德职业技术学院 科技处，广东 佛山 528333）

磁流体具有磁性和流体两种性质，在磁场的作用下对温度具有很强的敏感性，在热利用和提高传热效率方面具有很大的研究价值［1-3］。国内外研究人员已展开大量关于磁流体的生产、性能和使用方面的研究，并已成功应用于各工业领域［4-6］。王正良［7］测试了磁场中磁性流体的传热性能，实验结果表明：当外磁场方向与重力方向一致时，外磁场可以强化磁流体的自然对流过程，磁性流体表观密度对自然对流强度起决定性作用。H.Yamaguchi［8］等人从数值模拟方面进行研究，得出外磁场作用下磁流体的涡流循环方向为顺时针，同时发现回路通道中会出现局部涡流现象。T.Fujita［9］等人用感温型磁流体对热对流管道进行实验研究，证实在磁流体回路中热源旁边的垂直管道上外加磁场时，会增强磁流体的流动，系统的传热效率会显著增加。Bashtovoi［10］等人在磁流体的回路入口段的传热面上加上水基磁液，并加外强磁场，在通道内壁形成毫米级磁流体膜，结果发现磁流体的流动阻力却下降约20%，强迫对流传热提高了近一倍多。虽然国内外学者对磁流体的特性做了很多方面的研究，但在外磁场对磁流体运行特性、强化传热机理、不同基液磁流体的性能分析等方面还需要进一步深入分析。因此，建立磁性纳米流体Fe3O4-H2O 流动特性实验装置，分析外磁场的强度、磁性纳米粒子浓度、加热端的加热功率、冷却端的冷却温度等对磁流体流动特性的影响，对磁流体的进一步探索和应用打下基础。

1 实验系统

如图1 所示，磁性纳米流体Fe3O4-H2O 流动特性实验装置由数据采集系统、传热性能实验测试段和水冷却装置三部分组成的闭路循环系统。闭合环形回路7 是整个实验的主要部分，整个回路的长度为110 mm，宽度为80 mm，回路的材料是铜管（内径为6 mm）。通道中磁流体的流量测量由超声波流量计6 完成。测量通道内流体的压力由压力计5 完成。磁流体通道的冷却端由冷却装置8 和恒温水浴槽组成。实验中的磁场由电磁铁1 产生，线圈的匝数为18 000，其线径为1.0 mm，直径为20 mm，电磁铁最大的磁场强度为850 Gs。磁场强度由高斯计测量。发热丝2 可调节不同的加热输出功率。通道中的温度采用T 分度热电偶，温度数据由安捷伦数据采集并用电脑自动记录。本实验需要测量的主要参数有：磁流体通道中各点的温度、磁流体的流量、冷却水进出口温度等。

图1 实验原理图

2 实验结果与讨论

2.1 外磁场磁流体的运动特性影响

图2 为环境温度ta=25 ℃、冷却温度tc=10 ℃、Fe3O4-H2O 质量分数为α=0.7%、加热功率Q=3.5 W、磁场强度B=350 Gs 的工况下，有无外磁场时磁流体的流速变化情况。

从图2 可知，当无外磁场时，磁流体的速度基本为零，虽然回路中存在温差，会产生一定的驱动力，但还不能推动磁流体产生实际性的流动。当外加磁场后，磁流体就开始运行，流速随着时间的增加而增加，在250 s 时达到最大值。原因分析：在外磁场作用下，磁流体在磁力的推动下产生流动，当磁流体内部受到与温度梯度方向一致的磁场力作用时，在通道的冷端位置（温度相对低处），磁流体产生的磁化强度相对较大，同时受到的外磁场驱动力也较大，磁流体会形成顺时针的环流，当加热段的磁流体流动到下游冷却段时被冷却，这就是热磁对流现象［7］，当系统达到平衡后，流速也达最大。

图2 外磁场磁流体的流速变化关系

2.2 加热功率对磁流体运动特性的影响

图3 为环境温度ta=25 ℃、冷却温度tc=10 ℃、Fe3O4-H2O 质量分数为α=0.7%、加热功率Q=1.1～5.5 W、磁场强度B=350 Gs 的工况下，加热功率与磁流体流速的变化关系。

由图3 分析可知，磁流体的流速随加热功率的增加而增大到某一定值后出现下降，流速最大值为v=1.89 mm·s-1，对应的加热功率达到4.0 W。原因分析：当增加加热丝的功率时，通道中热端磁流体的温度会快速上升，磁流体内部的温度梯度变大，系统的流动阻力随之减小，导致通道中热磁对流的驱动力增加，最终磁流体的流速会增大。但加热功率增大会导致磁流体的温度上升超过该压力下的沸点温度后，磁流体的基液就会产生部分汽化现象，由于基液减少，一方面使Fe3O4颗粒产生团聚，另一方面导致Fe3O4颗粒的粘度大大增加，造成磁流体总的流动阻力大大增加，导致磁流体的流速减小。

图3 流体流速与加热功率的变化关系

2.3 磁场强度对磁流体运动状况的影响

图4 为环境温度ta=25 ℃、冷却温度tc=10 ℃、Fe3O4-H2O 质量分数为α=0.7%、加热功率Q=3.5 W、磁场强度B=50～460 Gs 的工况下，磁流体流速随磁场强度的变化关系。

在加热功率Q=3.5 W 时，当磁场强度增加时，磁流体流速随之增大。原因分析：外磁场的强度增加，磁流体内部受到的磁场力也增加，通道中的自然对流会加剧，磁流体内部的能量传递过程得到了强化，通道内的热磁对流强度会增加，相应的磁流体的流速也变大。

图4 流体流速随磁场强度的变化关系

2.4 冷凝温度对磁流体运动状况的影响

图5 为环境温度ta=25 ℃、冷却温度tc=6～14 ℃、Fe3O4-H2O 质量分数为α=0.7%、加热功率Q=3.5 W、磁场强度B=350 Gs 的工况下，磁流体流速随冷却温度的变化关系。

从图5 分析可知，磁流体的流速随着冷却温度的下降而变小。原因分析：当通道中冷端处的温度降低，磁流体内部的温度梯度会变小，磁热对流的驱动力随之变小，降低磁场冷却端的温度和降低加热端磁流体的整体温度，导致磁流体整体的流速变小。

图5 流体流速随冷却温度变化关系

2.5 纳米Fe3O4颗粒含量对磁流体运动状况的影响

图6 为环境温度ta=25℃、冷却温度tc=10℃、Fe3O4-H2O 质量分数为α=0.1%～1.5%、加热功率Q=3.5 W、磁场强度B=350 Gs 的工况下，磁流体流速随粒子质量分数的变化关系。

从图6 分析可知，磁流体流速随着纳米粒子含量的增加呈现出先增加后减小的变化趋势。当Fe3O4-H2O 纳米流体的质量分数为α=0.7%，磁流体的流速达到最大。原因分析：磁流体受到外磁场力作用随着磁性纳米流体粒子浓度的增加而增大，但当纳米粒子浓度增加到一定程度后，Fe3O4颗粒开始发生团聚和粘度增大，边界层厚度增加，部分Fe3O4纳米颗粒甚至被吸附在内管壁，粒子受到的磁场力变为阻力，导致流速减小。

图6 磁流体流速随粒子质量分数的变化关系

3 结论

外磁场对磁性纳米流体的流动特性影响非常明显，当外加磁场后，可明显提高磁流体的流速；流体的流速随加热功率的增加而增大，但磁流体温度超过沸点温度后，流速反而下降；当外加磁场强度增大时，会加剧了磁流体的自然对流，导致流速变大；磁流体的流速随着冷却温度的下降而变小；在本实验范围内，当Fe3O4-H2O 纳米流体质量分数为α=0.7%，磁性纳米流体的流速最大。