复合纳米流体强化换热研究进展

吴俊杰，马 丽，侯竣升，李栋宇，郝南京

西安交通大学化学工程与技术学院，西安 710049

随着科学技术的进步，包括微电子系统、太阳能设备在内的多个领域的系统性能持续提升. 这些性能提升导致了设备的微型化和高度集成化，由此带来的结果是设备在运行过程中积累了更多的热量. 传统的换热方式，例如液冷和风冷，其临界热流密度偏低，无法满足这些设备在冷却方面的需求，因此亟需开发新型的换热技术. 近年来，多种新型强化换热技术，如微通道[1]和超声换热[2]，被广泛研究和应用. 在众多技术中，纳米流体强化换热技术因其具有强化效果显著、无需外部能量场的特点，引起了国内外众多研究者的关注. 纳米流体的概念于1995年首次被美国的阿贡国家实验室提出；随后，1997年，有研究者开始进行纳米流体强化换热研究[3]；进一步地，2001年，美国能源部将“纳米流体强化换热”列为本世纪国家级重点研究项目之一[4]. 根据所含纳米颗粒的种类，纳米流体可分为两类：单一纳米流体[5]和复合纳米流体. 近年来，为了进一步提升纳米流体的强化传热性能，学者们投入到了复合纳米流体的研究中. 本文对近几年复合纳米流体实验研究与应用现状进行了系统综述，并针对当前复合纳米流体研究面临的挑战以及未来研究方向进行了讨论.

1 复合纳米流体的制备

纳米流体的组分包括基础工质（水、矿物油等）和纳米颗粒. 纳米颗粒包括金属单质（Cu、Ag、Ni等）、氧化物类（CuO、Al2O3、TiO2等）及碳基材料（氧化石墨烯(Graphene oxide, GO)、碳纳米管(Carbon nanotube, CNT)、纳米金刚石）等，其中，碳纳米管可分为单壁碳纳米管(Single wall carbon nanotube, SWCNT)、双壁碳纳米管(Double wall carbon nanotube, DWCNT)、多壁碳纳米管(Multi wall carbon nanotube, MWCNT).复合纳米流体是包含不少于两种纳米颗粒的纳米流体（图1(a)）.

图1 (a) 复合纳米流体化学组成示意图; (b) 复合纳米流体制备方法示意图Fig.1 (a) Schematic of the chemical composition of hybrid nanofluids; (b) schematic of the preparation methods of hybrid nanofluids

复合纳米流体制备方法可分为“一步法”和“二步法”（图1(b)）. 在“一步法”中，纳米颗粒制备与分散是同时进行的；在“二步法”中，纳米颗粒制备与分散是分开进行的. 二步法制备复合纳米流体的流程包括纳米颗粒制备、计算与称取以及最终的分散步骤. 由于其适用于大规模制备[6-7]且可精确控制混合比，二步法被广泛应用于复合纳米流体的制备. 金灿[8]用二步法制备了一种水基银碳复合纳米流体，发现其可在14 d内保持稳定；进一步测量其热导率发现，体积分数为0.08%的复合纳米流体使热导率相对纯水提升94.5%；作为对照，体积分数为0.24%的CNT单一纳米流体仅使热导率提升48%. Syam Sundar等[9]的研究表明，二步法制备的体积分数为0.2%的Co3O4(33%)/GO(67%)复合纳米流体可使热导率相对水基Co3O4单一纳米流体提升13.4%. Esfe等[10]研究发现，二步法制备的体积分数为0.045%水基ZnO/CNT复合纳米流体使热导率相对纯水提高24.8%，同浓度ZnO单一纳米流体仅使热导率相对纯水提高18%. 二步法的广泛应用使复合纳米流体得以实现大规模制备与精准控制，为后续研究与应用奠定了基础.

2 复合纳米流体的一般性能

复合纳米流体的稳定性是强化传热实验研究的先决条件，同时影响工程应用的可行性；复合纳米流体的黏度影响摩擦压降，从而影响换热体系的能量耗散. 因而，稳定性和黏度是对纳米流体强化传热实验研究及应用影响最明显的指标. 本部分将对纳米流体稳定性、黏度的影响因素进行论述，并着重分析高稳定性复合纳米流体的研究现状.

2.1 复合纳米流体的稳定性

稳定性是复合纳米流体最基本、最重要的特性. 该性能决定了换热表面沉积颗粒数量、悬浮颗粒数量及复合纳米颗粒浓度的分布均匀性，故稳定性不仅是复合纳米流体实现工程应用的关键[11]，同时也是复合纳米流体强化传热性能的影响因素之一[12]. 复合纳米流体稳定性可用静置沉降法、Zeta电位（Zeta potential）表征法等方法进行表征.Zeta电位是表征粒子表面电荷分布的一种物理量.它被定义为固体表面与溶液中的溶质层之间的电势差，表征了固体表面带电程度的强弱. Zeta电位的绝对值（Absolute value of zeta potential, AZP）越大，表示带电程度越强，也代表分散体系稳定性越高，Baber和Ali[11]指出，若AZP≥30 mV，则分散体系稳定性可接受；若AZP≥45 mV，则分散体系稳定性优异.

近年来，关于高稳定性纳米流体的研究取得了显著进展. Cakmak等[13]的研究表明，质量分数介于0.01%～0.25%，含有GO的新制复合纳米流体AZP为55～67 mV，静置一周后AZP降至52～63 mV，且AZP随浓度升高而降低. Huminic等[14]发现，质量分数为0.25%～1.00%的水基Fe(50%)/Si(50%)复合纳米流体，AZP为71.5～73.1 mV. 除了Zeta电位，静置沉降法也被用于复合纳米流体稳定性表征.Ahmed等[15]发现，质量分数0.025%～0.01%的水基Al2O3/SiO2/TiO2三元复合纳米流体静置14 d无分层现象. Kanti等[16]发现，质量分数0.01%～0.1%的水基GO/TiO2及GO/SiO2复合纳米流体静置30 d无可见沉降，这标志着复合纳米流体具有出色的稳定性. 综上所述，高稳定性纳米流体的制备为复合纳米流体深入研究和工程应用打下基础.

温度、超声处理时间、pH值是影响复合纳米流体稳定性的主要因素. 温度升高加剧布朗运动，这会导致纳米颗粒团聚与沉降概率增加，从而降低复合纳米流体的稳定性[17]. 对于含有表面活性剂的复合纳米流体，高温还可能导致表面活性剂与颗粒的结合力下降，从而削弱表面活性剂的分散效果[18]. 超声波会破坏纳米粒子的团聚，增强纳米流体的分散稳定性，但超声波的热效应又会加剧颗粒团聚，从而，超声处理时间对复合纳米流体稳定性至关重要. Chung等[19]的研究表明，当超声处理时间>60 min时，纳米颗粒团聚现象变得更为显著. 这是由于超声热效应导致溶液升温，使团聚作用超过分散作用，从而总体表现出更强的团聚性和更低的稳定性. Shahsavar等[20]对水基CNT/Fe3O4复合纳米流体的研究显示，当超声处理时间为0～180 min时，AZP随着处理时间延长而上升，且此时纳米粒子簇的尺寸呈现减小趋势，即纳米流体具有更好的分散稳定性；进一步延长超声处理时间，AZP开始下降；研究者指出，当超声处理时间超过180 min，超声热效应导致的颗粒团聚作用超过了超声波的分散作用，从而，被分散的复合纳米流体表现出更强的团聚倾向及更低的稳定性. 黄健[21]使用冰浴法及间隙震荡法减小超声热效应对稳定性的影响，发现超声时间长达90 min时，溶液温度未显著升高，颗粒分散充分. pH值影响颗粒表面电荷分布情况，电荷分布情况的变化影响颗粒间相互作用力，进而影响颗粒团聚行为.因而，pH值是复合纳米流体稳定性影响因素之一.在某些情况下，通过调节pH值改变颗粒表面电荷分布状态，是提高复合纳米流体稳定性的方法之一.通过应用超声分散、外加分散剂、调节pH值等方式，复合纳米流体稳定性得到提升，为进一步的实验研究与工程应用奠定基础.

2.2 复合纳米流体的粘度

与单一纳米流体相似，复合纳米流体具有非牛顿流体行为. 复合纳米流体的黏度受温度、颗粒浓度及颗粒特征尺寸影响. 低温及高浓度是导致高黏度的因素，且浓度对黏度的影响在低温下更显著；颗粒尺寸、不同颗粒间的协同作用及表面活性剂的使用等均是复合纳米流体黏度影响因素.

当前，复合纳米流体黏度随浓度变化规律研究及预测模型开发已取得了显著进展. Sahoo和Kumar[22]研究了Al2O3(20%)/TiO2(40%)/SiO2(40%)复合纳米流体黏度随体积分数变化规律，发现当体积分数由0.1%增至1.0%时，黏度变化表现为线性关系，体积分数大于1.0%时黏度随浓度的变化不再表现为线性关系；作者指出，这一规律与纳米颗粒受到重力影响向壁面集中有关. Saleh和Sundar[23-24]对水基MWCNT/Fe3O4复合纳米流体的研究表明，当纳米流体体积分数为0.05%～0.3%，温度为20 ℃时，复合纳米流体的动力黏度相对于基础工质增加7.59%～27.84%；该种纳米流体粘度随浓度变化规律在体积分数介于0.05%～0.2%时表现为线性，体积分数大于0.2%时表现为非线性；体积分数介于0.05%～0.3%时，实际黏度与模型预测的误差小于5%. Moldoveanu等[25]对水基TiO2/Al2O3复合纳米流体黏度随浓度变化规律的研究表明，当混合比为50∶50，体积分数为1.0%时，其黏度与相同条件下的TiO2单一纳米流体相近，并低于相同条件下的Al2O3单一纳米流体；实验测量显示，复合纳米流体体积分数介于0.1%～1.0%时，其黏度变化曲线与理论曲线基本吻合. 目前纳米流体黏度影响因素研究已比较充分，黏度随浓度变化的预测模型研究也比较完善，这对后续的实验研究起到指导作用.

3 复合纳米流体的强化传热性能

传热性能的评价一般采用热导率、临界热流密度（Critical heat flux, CHF）、传热系数（Heat transfer coefficient, HTC）、壁面过热度等指标. 其中，热导率是指垂直向下温度梯度为1 K·m-1时，单位时间内通过单位水平截面积传递的热量；CHF是指核态沸腾转变为过度沸腾所对应的热流密度值[26]，是用于评价多相传热能力的重要指标；HTC是指两侧温差稳定为1 K时单位时间通过单位面积的热量；壁面过热度是过热蒸汽温度减去对应压力下的干饱和温度，根据气泡生成条件，壁面过热度越大，气泡临界半径越小，从而壁面过热度会影响CHF；此外，壁面过热度还会影响元器件寿命[26]. 根据传热过程有无相变，传热过程可分为单相传热过程和两相传热过程. 单相传热过程性能一般使用热导率和HTC进行评价，两相传热过程性能一般使用CHF、HTC及壁面过热度评价.

3.1 复合纳米流体的单相传热性能

研究者对复合纳米流体在单相过程中的强化换热研究起步较早，目前该领域的研究已比较充分. 单相传热的主要形式是强制对流. Manasrah等[27]的研究表明，在管内强制对流换热过程中，质量分数为0.1%的水基Fe2O3/CNT复合纳米流体热导率相对基础工质提高了16%；这一效应被认为与具有较高热导率的纳米颗粒的引入有关. Toghraie等[28]对乙二醇(Ethylene glycol, EG)基TiO2/ZnO复合纳米流体强制对流换热研究表明，温度为50 ℃时，体积分数为3.5%的复合纳米流体的热导率相对基础工质提高32%；这一现象被认为是高热导率（TiO2的热导率约为EG的50倍；ZnO的热导率约为EG的200倍）纳米颗粒的引入所致. Jha与Ramaprabhu[29]对水基Au/MWCNT复合纳米流体强制对流换热研究显示，相对于同浓度的MWCNT单一纳米流体，复合纳米流体的热导率提升15%；研究者指出，复合纳米流体之所以比单一纳米流体对提升热导率提升更为显著，是由于Au的引入导致了MWCNT排布方向性的改善，以及边界层厚度的减薄. 更小的边界层厚度导致了更大的温度梯度，从而加快了传热速率. 但复合纳米流体并不总是表现出比单一纳米流体更优秀的强化换热性能. Farbod和Ahangarpour[30]的实验研究表明，质量分数1.0%～4.0%的水基MWCNT/Ag复合纳米流体与MWCNT单一纳米流体热导率基本相当；使用扫描隧道显微镜观察发现，Ag的存在并未显著改善MWCNT的排列方向性；模拟分析表明，Ag的引入并未使边界层厚度减薄，从而，Ag的引入未能显著强化单相换热. 复合纳米颗粒的引入不但使复合纳米流体具有更高的热导率，还可减薄边界层厚度，使复合纳米流体能够强化单相传热.

3.2 复合纳米流体的两相传热性能

两相传热利用相变潜热，相对单相传热具有更强的换热能力[31]，因而备受研究者的青睐[32]. 两相传热主要形式有池沸腾和流动沸腾. 池沸腾是一定空间内无宏观流速液体的沸腾现象. 一种池沸腾实验装置如图2(a)所示，沸腾时的气泡行为如图2(b)、图2(c)所示[33]. 贾壮壮等[34]的研究显示，体积分散0.1%的水基CuO/Al2O3复合纳米流体使池沸腾HTC相较纯水提升253.2%，这一结果被认为与纳米颗粒对表面润湿性的改善及提供额外汽化核心有关. Chu等[35]的研究（图2(d)）表明，水基GO与褶皱石墨烯（Crumpled graphene, CG）的复合纳米流体在沸腾实验中对CHF的提升幅度为150%，且实验得出的热流密度–温度曲线（图2(d)中的CHFExp）与理论曲线（图2(d)中的CHFTheor）吻合. 文章认为，相较CG和GO的单一纳米流体，复合纳米流体有更强润湿性，且有更多的汽化核心，从而有更高的CHF. 但是，复合纳米流体对池沸腾传热不总是起强化作用. Huang等[36]的研究表明，水基Graphene/SiO2复合纳米流体池沸腾HTC与CHF均低于纯水. 研究者指出，复合纳米颗粒沉积带来额外热阻使HTC降低；复合纳米颗粒表面张力较纯铜表面大，润湿性较纯铜弱，从而导致有纳米颗粒沉积的表面更易发生干涸，进而使CHF下降. 综上所述，复合纳米流体有利于提升池沸腾传热性能的因素主要包括额外的汽化核心与润湿性的改善，不利于提升传热性能的主要因素是表面沉积颗粒带来的额外热阻.

图2 (a) 池沸腾实验装置[33]; (b) 纳米流体气泡行为[33]; (c) 纯水沸腾气泡行为[33]; (d) GO/CG复合纳米流体及单一纳米流体的CHF与过热度关系图[35]Fig.2 (a) Experimental equipment of pool boiling[33]; (b) bubble performance of the nanofluid[33]; (c) bubble performance of water[33]; (d) CHF and superheat of the GO/CG hybrid nanofluid and mononanofluid[35]

流动沸腾是流体在管内或回路流动状态下的沸腾现象. Dalkılıç等[37]研究显示，水基MWCNT/GNP复合纳米流体可使流动沸腾HTC提升58%，同浓度的MWCNT单一纳米流体仅使HTC提升37%；研究者指出，复合纳米流体提供额外汽化核心是HTC提升原因之一；Park等[38]的研究表明，Graphene/GO复合纳米流体用于流动沸腾传热时，其CHF值相对GO单一纳米流体有提升. 研究者认为，复合纳米流体对润湿性的改善使表面不易干涸，有效延缓沸腾危机，从而提升CHF. 额外的汽化核心与更强的润湿性使得复合纳米流体对流动换热起到强化作用.

3.3 复合纳米流体强化换热机制

复合纳米流体的强化换热机制是复合纳米流体研究热点之一，也是复合纳米流体实验研究的理论依据与工程应用的理论基础. 基于现有研究，复合纳米流体的强化换热机制主要被归结于汽化核心的增多、润湿性的改善和气泡聚并的减缓三方面.

(1) 汽化核心的增多.

换热表面汽化核心数量的增加意味着汽化过程更容易发生，从而使液体在较高热流密度下也能保持在沸点温度，进而延缓沸腾危机的出现.Kamel等[39]对一种水基CeO2/Al2O3复合纳米流体池沸腾的研究表明，体积分数为0.05%的复合纳米流体使CHF相对纯水提高了37%；这一现象被归因于复合纳米颗粒在铜柱表面沉积，提供了额外汽化核心. Sharma和Unune[40]对Ag/ZnO复合纳米流体池沸腾强化换热性能的研究表明，复合纳米流体使CHF相较基础工质提升253%；观察铜片表面微观结构发现，沉积在铜片表面的纳米颗粒使换热表面汽化核心数量相对于光滑表面显著增加（图3(a)、图3(b)），这被认为是复合纳米流体提升池沸腾CHF的原因. Reddy和Venkatachalapathy[41]的研究表明，体积分数为0.01%～0.1%的水基Al2O3/CuO复合纳米流体使池沸腾CHF相对纯水提升了19%～49.8%；研究者将这一提升归因于换热表面颗粒沉积带来的额外汽化核心. 复合纳米颗粒提供的额外的汽化核心使得相变过程易于发生，有利于充分利用相变潜热，使复合纳米流体起到强化换热作用.

图3 (a) 光滑铜片表面[40]; (b) Ag(10%)/GNP(90%)沉积后铜片表面[40]; (c) 光滑铜片表面接触角[43]; (d) Ag(10%)/GNP(90%)沉积后铜片表面接触角[43];(e) 纯水工质池沸腾气泡行为[45]; (f) GNP–Cu/Al2O3复合纳米流体池沸腾气泡行为[45]Fig.3 (a) Surface of copper[40]; (b) surface of copper with settlement of Ag/GNP hybrid nanoparticles[40]; (c) contact angle of copper[43]; (d) contact angle of copper with settlement of Ag/GNP hybrid nanoparticles[43]; (e) pool boiling bubble performance of water[45]; (f) pool boiling bubble performance of the GNP–Cu/Al2O3 hybrid nanofluid[45]

(2) 润湿性的改善.

增强换热表面的润湿性可有效降低表面干涸几率，尤其是在较高的热流密度下，从而改善换热表面润湿性可延缓沸腾危机出现. Chu等[35]指出，相较CG和GO单一纳米流体，CG/GO复合纳米流体具有更强的润湿性，有利于延缓表面干涸，从而提升CHF. Siddiqui等[42]对液滴蒸发的研究表明，体积分数为0.1%的Ag/GNP复合纳米流体，在环境温度22 ℃，相对湿度为30%的条件下，液滴蒸发率相对基础工质提升了370%. Siddiqui等[43]对Ag/Graphene水基复合纳米流体在过热表面的蒸发行为研究表明，当铜片表面温度为125 ℃时，在光滑的过热铜片上，体积比为Ag∶Graphene =10∶90的复合纳米流体的潜热通量可高达890 W·cm-2. 研究者指出，Ag/Graphene复合纳米流体对液滴蒸发速率的提升主要来源于纳米颗粒对铜片再润湿性能的改善；测量铜片表面接触角发现，复合纳米流体蒸发后表面接触角仅为15°，光滑铜片的表面接触角则高达79°（图3(c)、图3(d)）. 接触角的减小使蒸汽平衡高度降低，液滴比表面积增加，从而加快液滴蒸发速率，进而加快了相变传热的速率. 复合纳米流体通过改善表面润湿性提升换热性能，这为复合纳米流体配方与实验方案的设计提供了依据.

(3) 气泡聚并的减缓.

孤立气泡的聚并导致气膜形成，从而导致表面干涸，进而导致沸腾危机的出现. 因而，减缓或阻止孤立气泡的聚并可有效延缓沸腾危机的出现，从而提升CHF. Abu-Nab等[44]对沸腾时气泡行为的研究显示，在相同过热度下，水基Al2O3/Cu复合纳米流体沸腾的平均气泡直径比纯水小40%，比水基Al2O3单一纳米流体小10%，这一效应被认为与复合纳米颗粒的引入减小了表面张力，使孤立气泡破裂概率增大，聚并概率相应减小有关.Shoghl和Bahrami[33]对ZnO/CuO复合纳米流体与纯水、单一纳米流体的沸腾气泡行为的研究显示，在相同过热度下，复合纳米流体能有效阻止气泡兼并；这一作用被认为与复合纳米颗粒具有更低的表面张力，使得气泡更容易从换热表面脱离有关. Shil等[45]研究了水基GNP–Cu/Al2O3复合纳米流体的铜柱池沸腾，发现复合纳米流体使CHF较纯水提升122%；观察不同热流密度下的气泡行为发现，复合纳米颗粒使气泡脱离概率增大，气泡聚并概率相应减小，且气泡平均尺寸减小（图3(e)、图3(f)），这显著降低孤立气泡聚并形成气膜的概率，从而延缓沸腾危机出现. 复合纳米流体对气泡行为的改变抑制了气泡聚并，延缓了核态沸腾向过度沸腾的转变，进而显著增强了沸腾换热效果.

4 复合纳米流体的应用

与其他的新型换热技术相比，复合纳米流体强化换热具有效果显著，结构简单，无需外部能量场的优势，因此在多个技术领域得到了广泛的应用.本部分以微电子设备热管理系统、太阳能装置、热交换器及电池热管理系统四个方面为例，总结了复合纳米流体在工程应用方面的研究现状.

4.1 复合纳米流体在微电子设备热管理系统的应用

随着微电子技术的发展，微电子元件的集成化和高频化程度持续提高，元件的特征尺寸持续减小，而其工作热流密度则持续增加，因此，高效散热技术变得尤其重要. 在众多新型换热方式中，复合纳米流体因其强化换热效果显著，无需外部能量场，被广泛应用于微电子设备换热[46]. 提高CHF、提高HTC和降低壁面温度是微电子设备热管理的三大目标. 一般情况下，为使设备长期可靠工作，换热表面的热流密度应控制在CHF的50%～70%[47]. 在相同的热流密度下，较高的HTC意味着较低的表面过热度. Agostini等[48]指出，在微电子冷却领域，当热流密度达到300 W·cm-2时，壁面温度不应超过85 ℃.

考虑到上述需求，研究者及工程师开始关注复合纳米流体在微电子设备热管理领域的应用.Nimmagadda和Venkatasubbaiah[49]对水基Ag/Al2O3复合纳米流体用于硅片表面流动沸腾散热的研究表明，体积分数为3.0%，混合比为50∶50的复合纳米流体HTC相对纯水提高了126%～148%. 作为对照，相同体积分数的水基Ag纳米流体使HTC相对纯水提高111%～144%；研究者指出，由于Al2O3颗粒可减少Ag的团聚现象，使复合纳米流体HTC与Ag单一纳米流体基本相当，但复合纳米流体经济性及稳定性更有优势. Selvakumar和Suresh[50]对水基Cu/Al2O3复合纳米流体用于铜片表面流动沸腾散热的研究表明，相对于纯水，质量分数0.1%的复合纳米流体使HTC提升了25.2%，同时使铜片表面温升下降0.9～3.1 ℃. Nazari等[51]对水基Al2O3/CNT复合纳米流体芯片表面流动沸腾冷却实验研究表明，相对纯水冷却的情形，体积分数为0.25%的复合纳米流体使换热表面温升降低22%，相同体积分数的Al2O3纳米流体仅使换热表面温升降低13%，相同体积分数的CNT纳米流体则使换热表面温升降低20%；复合纳米流体的HTC较基础工质提升20%. 文章指出，Al2O3纳米颗粒的存在可降低CNT纳米颗粒的团聚倾向，使得复合纳米颗粒的强化换热性能优于CNT单一纳米流体，同时显著改善经济性及稳定性. Siddiqui等[52]对Ag/GNP复合纳米流体用于芯片表面喷雾冷却（图4(a)）的研究显示，相较于纯水冷却的情形，复合纳米流体使CHF提升了35%，同时壁面温度从139 ℃降低到130 ℃（图4(b)）. Ahammed等[53]的研究显示，相较纯水冷却，水基Al2O3/Graphene复合纳米流体用于硅片表面冷却可使壁面过热度降低4.7 ℃. 复合纳米流体用于微电子元件散热，使得CHF得到提升，表面过热度显著降低，这有助于推动微电子元器件向集成化及高频化的方向发展.

图4 (a) 液滴蒸发实验装置结构图[52]; (b)水及不同浓度复合纳米流体用于液滴蒸发散热时壁面温度与热流密度关系[52]Fig.4 (a) Experimental equipment of liquid droplet vaporization[52]; (b) relation between wall temperature and heat flux of water and hybrid nanofluids in different concentrations[52]

4.2 复合纳米流体在太阳能装置的应用

按照能量转化方式，太阳能装置可分为光热型太阳能装置和光伏型太阳能装置两类. 其中，光热型太阳能装置是将太阳能转化为热能，并存储在收集器内部的工质当中的太阳能装置（图5(a)）.近年来，研究者将复合纳米流体作为工质应用于太阳能光热装置，使太阳能光热装置的热效率显著提升，发电费用及单位发电量温室气体排放量显著降低[54]. Farajzadeh等[55]的研究表明，相较于纯水，质量分数0.1%的TiO2/Al2O3复合纳米流体使管内单相流动时的太阳能利用率提升26%，这一现象被归因于TiO2的存在减小了Al2O3颗粒的团聚倾向，从而提升了工作液的热导率. Aytaç等[56]对复合纳米流体应用于管式太阳能集热器（图5(b)）的研究显示，质量分数0.2%的水基MgO/CuO复合纳米流体可使热效率相对基础工质提升77%（图5(c)）. Mashhadian等[57]的研究表明，相对Al2O3单一纳米流体，质量分数0.04%的水基MWCNT/Al2O3可使管式集热器热效率提升57.5%；更高的热效率导致单位发电量所需设备数减少，使单位发电量的CO2排放量降低了66%. Verma等[58]的研究显示，质量分数1.0%的水基MgO/MWCNT复合纳米流体使太阳能利用率提升了25%，效果优于CuO/MWCNT复合纳米流体，这一现象被认为与MgO纳米颗粒密度显著低于CuO，导致沉降倾向减弱，换热表面热阻降低有关. 复合纳米流体的应用使太阳能设备的热效率得到提升，有利于太阳能设备向微型化、高效化的方向发展.

图5 (a) 太阳能收集器结构图[55]; (b) 太阳能集热管实验装置[56]; (c) 水基MgO/CuO与水工质在不同时段的热效率[56]Fig.5 (a) Structure of the solar collector[55]; (b) equipment of experimental research on the solar heat collector[56]; (c) thermal efficiency of the MgO/CuO hybrid nanofluid and water at different times[56]

4.3 复合纳米流体在热交换器的应用

热交换器是在两种流体之间传递热量的装置，被广泛应用于石化、汽车、生物医药等领域.随着应用侧能量密度的持续增加，对热交换器的性能要求也日益严格，从而，热交换器性能的提升变得日益重要. 复合纳米流体作为一种无需额外能量场且效果显著的强化换热方法，被广泛应用于热交换器.

按照内部流道结构，热交换器可分为管式热交换器、板式热交换器和扩展表面热交换器三类，其中管式热交换器应用最为广泛. 一种典型的管式热交换器实验装置如图6(a)所示. Hussien等[59]的研究表明，质量分数为0.125%的水基MWCNT/GNP复合纳米流体可使管式热交换器的HTC提升58%；同质量分数的MWCNT单一纳米流体仅使HTC提升37%（图6(b)）；这一现象被归因于复合纳米颗粒的剪切减薄效应导致边界层厚度减小. Dalkılıç等[37]研究显示，当雷诺数（Reynolds number,Re）为11000时，体积分数1%的水基Graphene/SiO2复合纳米流体可使HTC相对纯水提升26%. 文章指出，这一现象与复合纳米颗粒的扰动作用导致边界层厚度减小有关. Suresh等[60]的研究表明，当Re为1730时，体积分数0.1%的水基Cu/Al2O3复合纳米流体使努塞尔数（Nusselt Number,Nu）相对纯水提高14%，同浓度的Al2O3单一纳米流体仅使Nu提高6%；研究者指出，该现象与Cu颗粒的引入使得复合纳米流体具有更高的热导率有关. 综上可知，复合纳米流体应用于热交换器使换热性能得以增强，有利于热交换器的紧凑化设计及应用范围的扩展.

图6 (a) 一种典型的管式热交换器结构图[59]; (b) 不同Re下MWCNT/GNP复合纳米流体及MWCNT单一纳米流体HTC相对纯水提升幅度[59]Fig.6 (a) Structure of a typical heat exchanger[59]; (b) average enhancement of the heat transfer coefficient compared with that of distilled water at different Reynolds numbers for different weight concentrations of mononanofluids and hybrid nanofluids[59]

4.4 复合纳米流体在电池热管理系统的应用

电池是将化学能直接转换为电能的装置，按照正负极材料，电池可分为锂离子电池、镍镉电池、氢氧燃料电池等. 电池运行期间，部分化学能转换为热能，导致电池温度上升，在无冷却措施的情况下可能会导致电池过热甚至爆炸. 因此，优良的热管理系统是电池组安全高效运行的基础[61].复合纳米流体因优良的强化传热性能，受到电池热管理领域研究者的广泛关注. 基于复合纳米流体的电池热管理体系结构如图7(a)所示[62]，储存在水箱内的纳米流体通过泵进行输运，以固定流速流过电池组，经过冷却再流回水箱，以此实现工质的循环与电池冷却.

图7 (a) 一种基于纳米流体的电池热管理系统工作原理图[62]; (b) CuO/Fe复合纳米流体、CuO单一纳米流体及纯水液冷对光伏电池热效率的影响[65]Fig.7 (a) Working principle of the battery thermal management system based on hybrid nanofluid[62]; (b) relation between thermal efficiency of the photovoltaic cell and flow rate of liquid cooling based on CuO/Fe hybrid nanofluid, CuO nanofluid, and water[65]

Dilbaz等[63]研究了基于Diamond/Fe3O4复合纳米流体的锂电池热管理系统，结果表明，当放电倍率为5C时，体积分数1.0%的复合纳米流体可使表面平均温升降低23.1%，电池表面温差减小70%；当体积分数由0%增至1.0%，复合纳米流体换热性能随体积分数增大而提升；当体积分数进一步增加时，复合纳米流体强化传热性能不再提升. 研究者指出，复合纳米颗粒的扰动作用是复合纳米流体强化传热的原因所在，随着体积分数增加，复合纳米流体的扰动作用逐渐增强. 但是，体积分数超过1.0%时，扰动作用随体积分数增加的趋势并不显著，热沉作用有所加强，故强化传热性能不再提升. Kumar等[64]对基于水基Cu/Al2O3纳米流体的锂离子电池热管理系统的研究表明，当复合纳米流体流速为95 L·h-1时，体积分数1.0%的纳米流体使电池组最高温度为305 K，温差小于5 K. 研究者还发现，当流速较小时，复合纳米流体液冷系统带来的温度不均匀性高于纯水，流速较大时纳米流体液冷系统表现为温差更小，这是由于较高流速下纳米颗粒的扰动作用更为明显，使强化传热性能得以提升. Karaaslan和Menlik[65]的研究显示，体积分数2.0%的水基CuO/Fe纳米流体用于光伏电池的热管理，当纳米流体流速为0.08 m·s-1时，相较基于纯水的热管理体系，电池热效率提高了5.4%，电效率提高了2.0%；同等体积分数同等流速的水基CuO单一纳米流体仅使热效率提高3.3%，电效率提高了1.2%（图7(b)）；而且，纳米流体液冷系统的压降仅为214 Pa. 研究者认为，Fe的存在提升了纳米整体热导率，进而增强了传热性能，提高了电池组热效率. 复合纳米流体的应用使电池热管理系统的性能得以提升，为各类电池系统的安全高效工作提供保障.

5 结论

复合纳米流体在强化换热性能方面具有出色的优势与确凿的效果，因而，复合纳米流体强化换热成为了实验研究和工程应用研究的热点. 本文系统地综述了近年来复合纳米流体强化换热方面的研究进展，总结了复合纳米流体的制备、一般性能和传热性能，并详细归纳和讨论了复合纳米流体在微电子、太阳能和热交换器等领域的应用. 尽管目前复合纳米流体的研究取得了显著的进展，但仍存在一些亟待解决的问题. 以下是几个复合纳米流体领域目前面临的挑战及未来的研究方向.

(1) 探索复合纳米稳定性的提升与标准化. 尽管目前已有较多研究，但稳定性仍是复合纳米流体实验研究与应用的限制因素，需进一步开发新的制备方法. 另外，为实现可重复的工业化生产，应当对常用的复合纳米流体制备与检验方法进行标准化.

(2) 探究复合纳米流体对设备的影响. 大多数关于复合纳米流体应用的研究报道了复合纳米流体的强化传热性能，但是，复合纳米流体在设备内的沉降与对设备的侵蚀是复合纳米流体长期应用的制约因素. 目前，涉及这两个领域的研究较少，需更深入的长周期研究.

(3) 深入研究复合纳米颗粒在沸腾状态下的行为. 沸腾传热可利用工质相变潜热，其换热能力显著高于单相传热，但沸腾状态下复合纳米颗粒的行为与单相状态存在差异，且颗粒行为与临界热流密度、换热系数、换热稳定性等指标关系密切，因而，探究沸腾条件下复合纳米颗粒行为及其机制，对复合纳米流体沸腾传热应用至关重要.

(4) 研究不同颗粒间的协同作用机制. 当前，复合纳米流体种类繁多，应用广泛. 但在复合纳米流体制备与应用过程中，其表现有别于单一纳米流体的简单叠加，这说明不同纳米颗粒间存在相互影响. 但目前对颗粒协同效应的研究尚处于现象与猜想阶段，为进一步提升纳米流体的性能，需对颗粒协同效应进行更深层次的理论研究.

(5) 研究复合纳米流体应用性能预测与优化.针对不同应用场景，如微电子、太阳能和热交换器，准确预测和优化复合纳米流体的性能仍然具有挑战性，需在模型建立阶段充分考虑各项约束，以建立更精确的模型和模拟方法，实现性能的准确预测和优化.

(6) 开发适用于多场耦合问题的物理场模型.当前，数值研究广泛采用单一物理场模型，但在复合纳米流体实际应用中，换热往往伴随着流体力学、分散、物质传输等多种物理场的耦合. 因此，如何处理多场耦合问题，以实现最优的换热性能，是复合纳米流体的重要研究方向之一.