納米流體黏度和流變特性的試驗研究

唐忠利，彭林明，張樹楊

(1.天津大學化工學院，天津 300072； 2.化學工程聯(lián)合國家重點實驗室(天津大學)，天津 300072)

納米流體是指以一定的方式和比例在液體中添加納米級金屬或非金屬氧化物粒子而形成的穩(wěn)定的固體粒子懸浮液[1]。納米流體由于具有強化傳熱和傳質(zhì)的特性[2-8]，引起國內(nèi)外學者越來越廣泛的關(guān)注。研究納米粒子的加入對傳統(tǒng)流體的物理化學性質(zhì)的影響有助于理解納米粒子強化傳熱、傳質(zhì)的機理，為建立納米粒子傳質(zhì)機理模型提供理論依據(jù)。納米流體的黏度和流變性是納米流體的一個重要物性參數(shù)。由于納米粒子的小尺寸效應，使得納米粒子對懸浮液黏度的作用機理與毫米或微米級固體粒子對懸浮液黏度的作用機理不同。因此，納米流體的黏度不能用固-液混合物黏度的理論公式來計算[9-11]，而需要通過試驗測定。

目前，關(guān)于納米流體黏度方面已進行了部分試驗研究。Hu等[9]研究指出納米粒子的加入對純流體的黏度改變不是很大。Zeinali等[12]研究了Al2O3-H2O和CuO-H2O納米流體的黏度，發(fā)現(xiàn)其黏度隨納米粒子含量的增加而增加，并且CuO-H2O納米流體的黏度變化更明顯。李澤梁等[13]研究了SDBS分散劑和CuO納米粒子加入量對CuO-H2O納米流體的影響，發(fā)現(xiàn)納米流體黏度隨分散劑和納米粒子體積份額的增加而增大。宣益民等[14]用NXE-1錐板黏度計對幾種納米懸浮液進行了黏度測量，發(fā)現(xiàn)納米流體的黏度隨納米粒子體積份額的增大而增大，并且對于相同粒徑的納米粒子，不同性質(zhì)的納米流體黏度也不同。王補宣等[15]研究了不同種類低濃度納米流體的黏度，結(jié)果發(fā)現(xiàn)納米流體黏度比基液黏度略大，增加比例在1.002～1.182之間。在納米流體流型研究方面，Das等[16]研究了以乙二醇(EG)和水混合液為基液的SiO2納米流體。結(jié)果表明，溫度高于-10 ℃時是牛頓型流體，低于-10 ℃時則是非牛頓型流體。Kim等[17]制備的CuO-EG納米流體呈現(xiàn)出非牛頓型流體的流動行為。劉玉東等[18]研究了體積份額為0.5%和1.0%的TiO2(20 nm)-H2O納米流體在0和5 ℃下的流變行為，結(jié)果表明這2個體積份額的納米流體在0和5 ℃均為牛頓型流體。

本研究選擇無水乙醇為基液，通過兩步法制備了體積份額為0.1%、0.3%、0.7%和1.0%的穩(wěn)定性良好的Al2O3-C2H5OH納米流體、MgO-C2H5OH納米流體、SiO2-C2H5OH納米流體、TiO2(5、25和60 nm)-C2H5OH納米流體，對其黏度進行了試驗測量，分析納米流體的體積份額、粒子種類、粒徑和溫度等因素對納米流體黏度的影響，并依據(jù)剪切應力與剪切速率的關(guān)系來確定納米流體的流變特性。

1　試驗部分

1.1　試劑與儀器

本試驗所用的納米粒子(Al2O3、SiO2、MgO和TiO2)為杭州萬景新材料有限公司生產(chǎn)，其物理性質(zhì)見表1。乙醇質(zhì)量分數(shù)為99.5%，由天津江天化工有限公司生產(chǎn)。

表1　納米粒子的物理性質(zhì)

1.2　試驗儀器

黏度測量采用CPE40錐板式黏度計(上海華巖儀器設備有限公司)，流變性能測量采用Brookfield DVⅢ+LVDV-E流變儀(美國博勒飛公司)，流變性能試驗及黏度試驗參數(shù)分別見表2和表3。

表2　Brookfield DVⅢ+ LVDV-E流變儀規(guī)格Table 2　Specification of Brookfield DV-Ⅲ+ LVDV-E

表3　黏度測試實驗參數(shù)

1.3　試驗裝置的校驗

為了考察試驗裝置測量納米流體黏度數(shù)據(jù)的準確性，先用CPE40錐板式黏度計分別測量出無水乙醇在20、25、30和35 ℃下的黏度，其測量值與文獻值的相對誤差分別為1.33%、1.46%、1.20%和0.68%，表明采用本裝置來測量納米流體的黏度是可行的[22]。

1.4　納米流體的制備

納米流體的制備方法可分為單步法和兩步法2種。單步法是指在納米粒子制備的同時將粒子分散到基液中，即納米粒子和納米流體的制備同時完成。兩步法是指先制備納米粉體，再按一定比例將納米粒子分散于基液中制備成納米流體。相比較而言，兩步法由于程序簡單且方便，幾乎適用于所有種類納米流體的制備。因此，兩步法成為較通用的納米流體制備方法，其流程如圖1所示。

圖1　納米流體制備流程Fig.1　Preparation route of nanofluids

本研究采用兩步法配制了納米粒子體積份額分別為0.1%、0.3%、0.7%和1%的Al2O3-C2H5OH納米流體、MgO-C2H5OH納米流體、SiO2-C2H5OH納米流體、TiO2(5、25 和60 nm)-C2H5OH納米流體。

2　結(jié)果與討論

2.1　納米粒子體積份額對其黏度的影響

圖2為20 ℃下不同種類的納米流體黏度隨納米粒子體積份額的變化關(guān)系圖，其中體積份額為0時表示無水乙醇中沒有添加任何納米粒子。

圖2　黏度和體積份額關(guān)系圖Fig.2　Viscosities of different nanofluids in different volume fraction

由圖2可以看出，在溫度一定時，不同種類納米流體黏度均隨粒子體積份額的增加而增加。對于TiO2(5和25 nm)-C2H5OH納米流體和SiO2(15 nm)-C2H5OH納米流體，其黏度隨體積份額的增加而加速增加。但是，TiO2(60 nm)-C2H5OH、Al2O3-C2H5OH納米流體的黏度變化趨勢則較為平緩。因此，對不同體積份額的納米流體而言，其黏度是不同的。納米粒子體積份額對其黏度有影響，原因在于納米流體流動時需要消耗一部分能量來克服內(nèi)摩擦阻力，懸浮液中納米粒子越多，克服阻力消耗的能量就越大，因此，納米粒子的體積份額越大，納米流體的黏度就會越大，這與Namburu等[19]研究的CuO-EG和CuO-H2O納米流體的結(jié)果一致。此外，納米流體中粒子含量的增加，會導致納米流體中粒子產(chǎn)生簇團，使得懸浮液的剪切力發(fā)生改變，這也會導致懸浮液黏度的增加。這與Barthelmesa等[20]用分型理論研究的結(jié)果一致。因此，納米粒子體積份額是影響納米流體黏度的一個主要因素。

2.2　粒子粒徑對納米流體黏度的影響

圖3為20 ℃下不同體積份額的TiO2-C2H5OH納米流體黏度隨TiO2納米粒子粒徑的變化規(guī)律。

圖3　TiO2-C2H5OH納米流體粒徑-黏度變化曲線Fig.3　Viscosities of TiO2-C2H5OH nanofluids with different particle diameters

由圖3可以看出，在體積份額相同的情況下，納米流體的黏度隨著粒徑的增大而減小，而且體積份額越大，納米流體黏度減少的趨勢就越明顯。此外，在相同體積份額下，粒子尺寸越小，黏度增大幅度就越大。這是因為粒子粒徑越小，相同體積份額下所含的粒子數(shù)就越多，當粒子間距離越近，粒子間的相互作用力就越大，從而粒子的移動阻力就越大。同時，納米粒子粒徑越小，粒子間形成粒子簇團的幾率就越大，因而粒子數(shù)越多納米流體的黏度就越大。

郭順松等[21]以SiO2-H2O納米流體為研究對象，研究了粒徑分別為7.0、40.0、61.8、126.9 和157.8 nm的SiO2納米粒子在相同體積份額下的納米流體黏度，發(fā)現(xiàn)在相同體積份額下，納米流體黏度隨著SiO2納米粒子粒徑的增加而減少。顯然，這與上述試驗所得結(jié)論一致。

2.3　溫度對納米流體黏度的影響

圖4為無水乙醇、TiO2(5 nm)-C2H5OH納米流體和SiO2(15 nm)-C2H5OH納米流體的黏度與溫度的變化關(guān)系曲線，其中橫坐標為溫度，縱坐標為黏度。

圖4　納米流體黏度隨溫度變化圖Fig.4　Viscosities of nanofluids at different temperature

由圖4可以看出，TiO2(5 nm)-C2H5OH和SiO2(15 nm)-C2H5OH納米流體在體積份額0.1%、0.3%、0.7%和1.0%的黏度隨溫度的變化趨勢與無水乙醇隨溫度的變化趨勢相同，即黏度與溫度成反比例關(guān)系，而且溫度越低，TiO2(5 nm)-C2H5OH納米流體和SiO2(15 nm)-C2H5OH納米流體的黏度就越大。此外，不同體積份額的TiO2-C2H5OH納米流體和SiO2-C2H5OH納米流體在不同溫度下的黏度均大于無水乙醇的黏度。同時，對于體積份額較大的納米流體，其黏度隨溫度變化較大。溫度對納米流體黏度的影響主要是由于溫度的增加，加劇了分子熱運動及布朗運動，使得粒子間吸引力相對減弱和溶劑化程度下降而導致黏度下降。

2.4　不同剪切速率時的流變特性

流體按照流動類型可分為牛頓型流體和非牛頓型流體，牛頓型流體的黏度不隨剪切速率的變化而變化，其剪切應力與剪切速率成正比，即：

τ=μD

(1)

式中，τ為剪切應力，N/m2；μ為動力黏度，cP；D為剪切速率，s-1。

牛頓型流體可以用黏度來表示其流變特性，而對于非牛頓型流體，由于其剪切應力與剪切速率之間不滿足正比例關(guān)系，比值τ/D不是常數(shù)，而是剪切速率的函數(shù)，因此常用表觀黏度μa來表示其流變特性。為確定所制備的納米流體是牛頓型流體還是非牛頓型流體，需要分析不同剪切速率下的黏度值。

不同納米流體在不同條件下的流變曲線見圖5、圖6和圖7。

圖5　TiO2(5 nm)-C2H5OH納米流體的剪切應力與剪切速率關(guān)系圖Fig.5　Diagram of shear rate vs.shear stress for TiO2(5 nm)-C2H5OH nanofluid

圖6　TiO2(25 nm)-C2H5OH納米流體的剪切應力與剪切速率關(guān)系圖Fig.6　Diagram of shear rate vs.shear stress for TiO2(25 nm)-C2H5OH nanofluid

圖7　體積份額為0.1%時不同納米流體的剪切應力與剪切速率關(guān)系圖Fig.7　Diagram of shear rate vs.shear stress about different kinds of nanofluids at φ=0.1%

從圖5、圖6和圖7中可以看出，納米流體在不同體積份額和20 ℃條件下，其流變曲線均為直線，經(jīng)延伸后均能通過坐標原點，則表明被測納米流體為牛頓型流體，并且在任意小的外力作用下，納米流體就能發(fā)生流動。此外，由圖5、圖6和圖7中還能看出，納米流體的剪切應力隨著溫度的升高而下降，即隨著溫度的升高，納米流體的黏度下降。同時，由剪切應力與剪切速率線性關(guān)系還可以得出，直線越陡則納米流體的黏度就越大。

3　結(jié)論

1)納米粒子種類、體積份額、粒徑和溫度均影響著納米流體的黏度。納米流體的黏度隨納米粒子體積份額的增加而增加，隨納米粒子粒徑的增加而減少，但不同納米粒子的加入對無水乙醇黏度的改變比例范圍不同。其中，體積份額為0.1%～1.0%的TiO2(5、25和60 nm)-C2H5OH納米流體黏度較C2H5OH黏度增加比例范圍依次為1.036～1.242、1.008～1.136和1.009～1.052，而體積份額為0.1%～1.0%的Al2O3-C2H5OH納米流體和SiO2-C2H5OH納米流體黏度較C2H5OH黏度增加比例范圍分別為1.008～1.012和1.045～1.248。

2)納米流體的黏度受溫度的影響很大。隨著溫度的上升，黏度降低，而且體積份額越高的納米流體，其受溫度的影響就越顯著。

3)當納米流體體積份額不超過1.0%時，其表現(xiàn)為牛頓型流體行為，即黏度不隨剪切應力的變化而變化。

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