二氧化硅納米流體強(qiáng)化對(duì)流換熱研究進(jìn)展

陳真真，陳洪強(qiáng)，黃 磊，張永海，郝南京

西安交通大學(xué)化學(xué)工程與技術(shù)學(xué)院，西安 710049

隨著半導(dǎo)體技術(shù)和電子技術(shù)的快速發(fā)展，微電子器件的集成度和性能在不斷提高，并在航空航天、能源、醫(yī)療和汽車工業(yè)等領(lǐng)域發(fā)揮著越來越重要的作用[1-2].電子器件的微型化使其在工作時(shí)產(chǎn)生較大的能量密度并大部分轉(zhuǎn)化成為熱能，進(jìn)而導(dǎo)致器件溫度升高.高溫不僅限制了微電子器件工作性能的發(fā)揮，而且也嚴(yán)重影響了器件使用壽命和安全性.因此，為了避免高熱流密度引起的器件高溫失效問題，對(duì)微電子器件進(jìn)行有效熱管理是非常關(guān)鍵的.傳統(tǒng)的風(fēng)冷和液冷散熱裝置不僅結(jié)構(gòu)復(fù)雜、功耗高，而且散熱效率低，嚴(yán)重影響了器件的穩(wěn)定性和可靠性[3-5].

近年來，國內(nèi)外研究者提出了多種被動(dòng)式和主動(dòng)式強(qiáng)化換熱技術(shù)[3-8].其中，基于納米流體的被動(dòng)式強(qiáng)化換熱技術(shù)由于成本低、操控靈活和形式多樣性的特點(diǎn)，受到了廣泛的關(guān)注[9-15].納米流體的概念最早由美國阿貢國家實(shí)驗(yàn)室的Choi與Eastman提出[16]，通過在液體工質(zhì)中添加一定比例的納米顆粒（粒徑通常小于100 nm）而形成.美國能源部早在2001年就將“納米流體強(qiáng)化換熱技術(shù)”作為美國國家重點(diǎn)研究項(xiàng)目，新型高效換熱基質(zhì)也成為新一代高性能冷卻技術(shù)的研究熱點(diǎn)[17].針對(duì)傳統(tǒng)液體工質(zhì)（如水、乙二醇和礦物油等）低導(dǎo)熱性的問題，研究者已經(jīng)開發(fā)出了一系列不同類型的納米流體，如二氧化硅、氧化鋁、二氧化鈦、碳納米管、銅、銀、碳化硅、金剛石、氧化鐵、氧化鋅、氧化鎂和氧化銅等[18-24]，并利用數(shù)值理論分析和實(shí)驗(yàn)觀察驗(yàn)證了納米流體在單相和相變強(qiáng)化換熱過程中的優(yōu)異性能[25-32].特別是對(duì)于二氧化硅納米顆粒，良好的機(jī)械和化學(xué)穩(wěn)定性、豐富的結(jié)構(gòu)形式和多樣化的合成方法等優(yōu)勢(shì)引起研究者極大的興趣，并在導(dǎo)熱、對(duì)流和輻射傳熱方面呈現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力[33-34].

本文對(duì)二氧化硅納米流體在強(qiáng)化對(duì)流換熱的研究進(jìn)展進(jìn)行系統(tǒng)綜述.首先介紹二氧化硅納米流體的性質(zhì)和制備方法，然后討論并總結(jié)二氧化硅納米流體在單相對(duì)流（自然對(duì)流和強(qiáng)制對(duì)流）和相變對(duì)流（池沸騰和流動(dòng)沸騰）領(lǐng)域的研究現(xiàn)狀，最后指出二氧化硅納米流體對(duì)流換熱技術(shù)存在的問題以及未來潛在的發(fā)展方向，以期為構(gòu)建高性能納米流體液冷換熱技術(shù)體系提供新的研究思路和參考.

1 二氧化硅納米流體性質(zhì)與制備

二氧化硅納米流體是在液體工質(zhì)中添加一定比例的二氧化硅納米顆粒形成.相比于其他類型的納米顆粒，二氧化硅納米顆粒具有一系列顯著的優(yōu)勢(shì)，如良好的機(jī)械穩(wěn)定性使其適于在極端條件下的應(yīng)用，高化學(xué)穩(wěn)定性使其適于不同類型的基液，耐高溫性使其適于長期循環(huán)使用，豐富的尺寸/形貌/孔等結(jié)構(gòu)形式使其適于不同換熱體系的需求，易表面修飾使其能夠?qū)崿F(xiàn)優(yōu)異的單分散穩(wěn)定性，以及多樣化的物理和化學(xué)合成方法使其能夠滿足不同的應(yīng)用場(chǎng)景.二氧化硅的熱導(dǎo)率為1.38 W·m-1·K-1，遠(yuǎn)高于水的熱導(dǎo)率（0.6 W·m-1·K-1）.二氧化硅納米流體中顆粒的尺寸通常小于100 nm（表1），其較小的尺寸產(chǎn)生了較高的比表面積，可用于熱量的傳遞.目前研究者已經(jīng)開發(fā)出不同尺寸、形貌和孔結(jié)構(gòu)的二氧化硅納米流體體系（圖1(a)）[35-39].

表1 二氧化硅納米流體對(duì)流換熱應(yīng)用研究總結(jié)Table 1 Asummary of examples of silica nanofluids for convective heat transfer applications

表1 (續(xù))Table 1 (Continued)

二氧化硅納米流體的制備方法可主要分為一步法和兩步法兩類（圖1(b)）[40-41].一步法是將二氧化硅納米顆粒的制備與在液體工質(zhì)中分散的過程整合成為一步，包括激光燒蝕法、埋弧焊法、脈沖蒸發(fā)法、氣相沉積法和微波輻射法等.一步法的制備流程比較簡單，主要用于小規(guī)模納米流體的制備.兩步法是將二氧化硅納米顆粒的制備與在液體工質(zhì)中的分散過程分離開來，通常使用溶膠-凝膠法和水熱法制備不同性質(zhì)的二氧化硅納米顆粒，然后用超聲震蕩法、調(diào)節(jié)酸堿度法、磁力攪拌法和表面活性劑穩(wěn)定法等將納米顆粒均勻分散.兩步法的制備流程相對(duì)比較復(fù)雜，而且性能易受到顆粒團(tuán)聚的影響，但是可用于大規(guī)模納米流體的制備.二氧化硅納米流體的換熱性能取決于液體工質(zhì)的性質(zhì)（如工質(zhì)類型和流量等）和二氧化硅納米顆粒的性質(zhì)（如顆粒的尺寸、形貌和孔結(jié)構(gòu)等）.為了有效強(qiáng)化換熱應(yīng)用，對(duì)二氧化硅納米流體的熱導(dǎo)率、黏度和潤濕度等進(jìn)行可控的調(diào)節(jié)是十分重要的[42-45].

圖1 二氧化硅納米流體性質(zhì)與制備方法.(a) 不同尺寸、形貌和孔結(jié)構(gòu)的二氧化硅納米顆粒；(b) 二氧化硅納米流體的制備方法Fig.1 Properties and preparation methods of silica nanofluids: (a) schematic of SiO2 nanoparticles with different sizes, shapes, and pore structures; (b)classification of the preparation methods of SiO2 nanofluids

2 二氧化硅納米流體自然對(duì)流換熱

納米流體自然對(duì)流是納米液體工質(zhì)自發(fā)運(yùn)動(dòng)的一種流動(dòng)形式，工質(zhì)的運(yùn)動(dòng)不依靠任何外部源，僅由重力驅(qū)動(dòng)完成.二氧化硅納米流體自然對(duì)流換熱體系的研究目前以兩步法為主，納米顆粒主要是粒徑為20 nm左右的球形無孔結(jié)構(gòu)，液體工質(zhì)包括水、乙二醇和丙三醇等，常用的納米流體分散方法包括表面活性劑、超聲和pH調(diào)節(jié)等（表1）.

從實(shí)驗(yàn)研究角度，Akilu等[48]將二氧化硅納米顆粒分散至乙二醇和丙三醇中形成體積分?jǐn)?shù)為0.5%～2%的納米液體工質(zhì)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)納米流體的熱導(dǎo)率隨著溫度的升高而增加；而且分散在乙二醇中納米液體的熱導(dǎo)率比分散在丙三醇中更高，在體積分?jǐn)?shù)為2%時(shí)，熱導(dǎo)率最高可以增加11.5%（圖2(a)）；另外納米流體的黏度隨著溫度的升高而降低.Esfahani與Toghraie[49]將二氧化硅納米顆粒分散至水和乙二醇的混合液體中，在溫度為25～50 °C范圍內(nèi)以及體積分?jǐn)?shù)為0.1%～5%范圍內(nèi)時(shí)，熱導(dǎo)率隨著溫度和體積分?jǐn)?shù)的升高而增加，而且體積分?jǐn)?shù)的增加效應(yīng)更顯著，在體積分?jǐn)?shù)為5%和溫度為50 °C的條件下，熱導(dǎo)率最高可以增加45.5%.Li等[50]同樣利用兩步法將二氧化硅納米顆粒分散至乙二醇溶液中制備質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.005%～5%的納米流體，結(jié)果證實(shí)工質(zhì)溫度越高，由于納米顆粒添加所引起的熱導(dǎo)率增加越顯著，最高可以增加28.34%；另外熱導(dǎo)率會(huì)隨著超聲時(shí)間的增加而增加，而且超聲時(shí)間對(duì)熱導(dǎo)率的影響隨著溫度和顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)的升高越來越顯著，最高可以增加4.96%.然而，Haddad等[46]在水工質(zhì)中添加體積分?jǐn)?shù)為0～20%的二氧化硅納米顆粒，結(jié)果證實(shí)納米顆粒布朗運(yùn)動(dòng)和液體分層效應(yīng)導(dǎo)致了換熱性能并不顯著.這種不一致性主要可能歸因于納米流體穩(wěn)定性和顆粒聚集尺寸的差異.這些實(shí)驗(yàn)結(jié)果證實(shí)除了顆粒濃度因素外，工質(zhì)類型、基液溫度和分散處理方式等其他因素也直接影響二氧化硅納米流體對(duì)流換熱的性能.

圖2 二氧化硅納米流體自然對(duì)流強(qiáng)化換熱研究體系.(a) 分散至乙二醇和丙三醇工質(zhì)的二氧化硅納米流體強(qiáng)化換熱體系[48]；(b) 二氧化硅納米流體在方形和三角形封閉區(qū)域內(nèi)的自然對(duì)流模型[47]；(c) 分散至正十八烷工質(zhì)中的介孔二氧化硅納米流體強(qiáng)化換熱體系[52]Fig.2 Silica nanofluid-based natural convective heat transfer enhancement platforms: (a) SiO2 nanoparticles dispersed in ethylene glycol and glycerol for heat transfer enhancement[48]; (b) natural convection of SiO2 nanofluids in square and triangular enclosures[47]; (c) heat transfer of nano-enhanced noctadecane-mesoporous SiO2[52]

從理論研究角度，Mahian等[47]評(píng)估了二氧化硅納米流體在方形、傾斜方形和三角形封閉區(qū)域內(nèi)的自然對(duì)流換熱性能差異（圖2(b)），在這三種情形下努塞爾數(shù)（Nusselt number）隨著納米顆粒體積分?jǐn)?shù)的升高而降低，方形結(jié)構(gòu)內(nèi)納米流體的換熱系數(shù)要高于三角形結(jié)構(gòu)，但是進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)結(jié)果證實(shí)了努塞爾數(shù)并不是在封閉區(qū)域內(nèi)評(píng)價(jià)納米流體換熱性能的一個(gè)良好指標(biāo).Maleki等[53]將不同類型的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)用于二氧化硅納米流體的建模分析，在乙二醇、水、丙三醇和乙二醇-水混合液體工質(zhì)中納米流體可明顯增強(qiáng)換熱性能，而且數(shù)據(jù)分組處理方法（GMDH）、Levenberg-Marquardt（LM）和量化共軛梯度法（SCG）對(duì)結(jié)果處理的相關(guān)系數(shù)分別高達(dá)0.9997、0.9991和0.9998，為二氧化硅納米流體在不同測(cè)試環(huán)境下?lián)Q熱性能的快速預(yù)測(cè)提供了重要參考.除了單一組分納米流體外，Preeti與Ojjela[54]將二氧化硅納米顆粒分別與刀片形、磚形、圓柱形和盤形Al2O3納米顆粒混合并分散至水-乙二醇中形成雙組分納米流體，結(jié)果發(fā)現(xiàn)二氧化硅納米顆粒的加入可以顯著提高四種Al2O3納米流體的換熱速率，而且二氧化硅和盤形Al2O3納米顆粒形成的雙組分納米流體具有最高的換熱性能，揭示了顆粒組分對(duì)換熱性能的重要影響.另外，對(duì)于高儲(chǔ)能密度的相變材料在固-液相變過程中易發(fā)生液體泄漏的問題[80]，研究發(fā)現(xiàn)介孔類型的二氧化硅納米顆粒由于具有相對(duì)較高的熱導(dǎo)率進(jìn)而可以有效提升相變材料（如石蠟和正十八烷）的換熱性能（圖2(c)）[51-52,81].這些理論研究不僅從不同角度證實(shí)了二氧化硅納米流體的強(qiáng)化換熱性能，而且揭示了換熱器件的結(jié)構(gòu)和工質(zhì)的類型等因素都能夠?qū){米流體對(duì)流換熱性能產(chǎn)生一定影響，為構(gòu)建合理有效的納米流體換熱結(jié)構(gòu)體系提供了重要參考.

3 二氧化硅納米流體強(qiáng)制對(duì)流換熱

納米流體強(qiáng)制對(duì)流是納米液體工質(zhì)依靠外部源（如泵、風(fēng)扇和吸入裝置等形式）驅(qū)動(dòng)完成流動(dòng)的形式.二氧化硅納米流體強(qiáng)制對(duì)流換熱體系的研究目前仍以兩步法為主，納米顆粒的來源除了商業(yè)化的顆粒產(chǎn)品外，還可以由溶膠-凝膠法、水熱法和超聲法合成，顆粒的結(jié)構(gòu)大部分是20 nm左右的無孔球形，常用的液體工質(zhì)有蒸餾水、去離子水和乙二醇等，納米流體的分散性通過超聲、磁力攪拌、表面活性劑和pH調(diào)節(jié)等方式實(shí)現(xiàn)（表1）.

對(duì)于二氧化硅納米流體強(qiáng)制對(duì)流換熱熱沉，國內(nèi)外研究者已開發(fā)出多種不同類型的單一組分納米流體工質(zhì)實(shí)驗(yàn)體系.Fazeli等[55]觀察了二氧化硅納米流體在鋁基微通道內(nèi)的換熱性能，由于納米流體較高的熱導(dǎo)率和顆粒的布朗運(yùn)動(dòng)，分散在水中的二氧化硅納米顆粒可以顯著增加熱沉的換熱系數(shù)；換熱系數(shù)隨著顆粒濃度的升高而增加，而且納米顆粒的添加可以使熱沉的熱阻最高降低10%.Ajeel等[57-58]系統(tǒng)對(duì)比了二氧化硅納米流體在直形通道、半圓形波紋槽道和梯形波紋槽道中的換熱性能（圖3(a)），添加在水中的二氧化硅納米顆粒可以明顯增加熱沉的換熱性能，而且壓降隨著納米顆粒含量的增加而增加；與直形通道相比，半圓形波紋槽道和梯形波紋槽道呈現(xiàn)出更高的換熱性能，特別是梯形波紋槽道在納米流體工質(zhì)運(yùn)行條件下可以將換熱效率最高增加63.59%.Shah等[61]將二氧化硅納米顆粒分散在水中并觀察了納米冷卻劑在鋁管散熱器中的換熱性能（圖3(b)），在入口溫度為70 °C和顆粒體積分?jǐn)?shù)為0.12%條件下，換熱效率比純水工質(zhì)增加36.92%，但是當(dāng)納米顆粒濃度升高時(shí)，由于大量顆粒形成團(tuán)聚的現(xiàn)象，換熱效率會(huì)呈現(xiàn)逐漸降低的趨勢(shì).此外，Ahmad等[56]和Mohan等[59]分別對(duì)比觀察了分散在去離子水中氧化鋁納米顆粒和二氧化硅納米顆粒的對(duì)流換熱性能，結(jié)果都證實(shí)了與氧化鋁納米流體工質(zhì)可以提高換熱系數(shù)不同，二氧化硅納米流體工質(zhì)的換熱系數(shù)甚至出現(xiàn)了比純?nèi)ルx子水還要低的情況，此現(xiàn)象的主要原因可能是由納米顆粒的分散性差所導(dǎo)致的顆粒團(tuán)聚引起的.這些研究結(jié)果表明不僅顆粒濃度對(duì)納米流體換熱性能產(chǎn)生重要影響，而且換熱器件結(jié)構(gòu)、顆粒類型和分散處理方式等都直接影響對(duì)流換熱的效率，為構(gòu)建高效的納米流體換熱體系提供了重要啟示.

除了單一組分納米流體工質(zhì)外，研究者也提出了多種顆粒復(fù)合納米流體工質(zhì)的強(qiáng)制對(duì)流換熱體系.Pourrajab等[62]在SBA-15類型介孔二氧化硅的孔道內(nèi)原位合成Cu納米顆粒并觀察了復(fù)合納米流體在螺旋槽管內(nèi)的換熱性能（圖3(c)），結(jié)果發(fā)現(xiàn)復(fù)合納米顆?？梢詫Q熱系數(shù)提高33.45%，而且努塞爾數(shù)與雷諾數(shù)和復(fù)合顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)成正比.Nagarajan等[63]將氧化銅納米顆粒和二氧化硅納米顆粒分散在水中并觀察了復(fù)合納米流體在夾套容器裝置中的循環(huán)流動(dòng)換熱性能，結(jié)果證實(shí)換熱系數(shù)與工質(zhì)的流速和顆粒的濃度成正比，在流速為3 L·min-1和顆粒體積分?jǐn)?shù)為0.2%的條件下整體換熱系數(shù)比純水工質(zhì)增加48.6%；另外，當(dāng)將氧化鋁和二氧化硅納米顆粒分散至乙二醇中，與純乙二醇工質(zhì)相比，此復(fù)合納米流體工質(zhì)可以將換熱系數(shù)提高52.8%，而且換熱性能隨著雷諾數(shù)的增加而升高[60].這些研究發(fā)現(xiàn)不僅揭示了納米顆粒的性質(zhì)和工況條件對(duì)強(qiáng)制對(duì)流換熱性能的重要影響，而且為高性能復(fù)合納米流體工質(zhì)的研發(fā)提供了新的思路.

圖3 二氧化硅納米流體強(qiáng)制對(duì)流強(qiáng)化換熱研究體系.(a) 二氧化硅納米流體在波紋槽道中的對(duì)流換熱應(yīng)用裝置[57]；(b) 二氧化硅納米冷卻劑在鋁管散熱器中的對(duì)流換熱實(shí)驗(yàn)裝置[61]；(c) 介孔二氧化硅與Cu復(fù)合納米流體在螺旋槽管中的對(duì)流換熱實(shí)驗(yàn)裝置[62]Fig.3 Silica nanofluid-based force convective heat transfer enhancement platforms: (a) experimental setup of SiO2 nanofluids for convective heat transfer applications in corrugated channels[57]; (b) experimental setup of SiO2 nanocoolant for convective heat transfer in aluminum tube radiator[61]; (c)experimental setup of mesoporous SiO2 and Cu composite nanofluids for convective heat transfer in helically grooved tube[62]

4 二氧化硅納米流體池沸騰換熱

納米流體池沸騰是在有限空間內(nèi)將壁面沉浸在納米液體工質(zhì)中加熱的形式，納米流體發(fā)生強(qiáng)制對(duì)流沸騰并產(chǎn)生相變.二氧化硅納米流體池沸騰換熱體系研究基本以兩步法為主，顆粒的尺寸分布從納米級(jí)到亞微米級(jí)甚至微米級(jí)，常用的液體工質(zhì)主要是去離子水，納米流體的分散性可以依靠超聲、pH調(diào)節(jié)、磁力攪拌和添加表面活性劑等多種處理方式進(jìn)行調(diào)節(jié)（表1）.

對(duì)于二氧化硅納米流體池沸騰換熱，研究者在二氧化硅顆粒結(jié)構(gòu)對(duì)換熱性能的影響方面進(jìn)行了系統(tǒng)的觀察.Vassallo等從尺寸、形貌和分散液體性質(zhì)等多個(gè)角度考察了二氧化硅納米流體對(duì)池沸騰換熱的影響，研究發(fā)現(xiàn)顆粒體積分?jǐn)?shù)為0.5%、粒徑為15 nm、50 nm和3 μm二氧化硅顆粒都能夠顯著增加臨界熱流密度，粒徑為50 nm和3 μm二氧化硅顆?？梢詫⑺べ|(zhì)的換熱性能分別提高3倍和1.5倍[64]；將粒徑為10 nm和20 nm二氧化硅納米顆粒分散至離子緩沖液、去離子水和NaOH溶液中都可以顯著提高臨界熱流密度（圖4(a)），粒徑為20 nm的顆粒在強(qiáng)電解質(zhì)NaOH工質(zhì)中的臨界熱流密度可以高達(dá)4600 kW·m-2，另外緩沖液中大量離子的存在會(huì)導(dǎo)致納米顆粒發(fā)生聚集進(jìn)而出現(xiàn)換熱性能下降甚至惡化的情形[65]；在pH為3到10的范圍內(nèi)，粒徑為10 nm的顆粒的臨界熱流密度都比20 nm顆粒的高，而且池沸騰過程中粒徑為10 nm的顆粒更易沉積在鎳鉻電熱絲線上，顆粒沉積形成的孔狀結(jié)構(gòu)可以進(jìn)一步地提高換熱性能[68].Norouzipour等[71]對(duì)比分析了 11、50和70 nm三種粒徑尺寸二氧化硅納米顆粒的換熱性能，結(jié)果發(fā)現(xiàn)僅粒徑為70 nm的顆粒在體積分?jǐn)?shù)為0.1%條件下才能提高換熱系數(shù)，而其他尺寸的顆粒在體積分?jǐn)?shù)為0.01%～1%范圍內(nèi)的換熱系數(shù)均比純水工質(zhì)還要低，造成此現(xiàn)象可以歸因于小尺寸的顆粒在沸騰表面占據(jù)了大量的空間并因此降低了汽泡產(chǎn)生位點(diǎn)的數(shù)目，而大尺寸的顆粒在沸騰表面可以產(chǎn)生較大的空隙進(jìn)而增加沸騰換熱系數(shù)（圖4(b)）.Lee等[72]對(duì)比觀察了孔徑為2 nm和4 nm的不同粒徑尺寸（0.5、1和2 μm）介孔二氧化硅顆粒的池沸騰換熱性能，結(jié)果證實(shí)顆粒的尺寸、形貌、孔徑和濃度都能影響臨界熱流密度；在高顆粒濃度條件下，除了4 nm孔徑的粒徑為2 μm顆粒出現(xiàn)臨界熱流密度低于純水外，其他類型的介孔二氧化硅顆粒均可以顯著提高池沸騰臨界熱流密度；在低顆粒濃度條件下，同樣出現(xiàn)只有粒徑為2 μm介孔二氧化硅顆粒的臨界熱流密度低于純水的情形，此原因也可能與顆粒尺寸影響汽泡成核位點(diǎn)數(shù)目密切相關(guān)（圖4(c)）.這些研究發(fā)現(xiàn)從不同角度揭示了二氧化硅顆粒的尺寸、形貌、濃度和分散處理方式等都能夠在池沸騰換熱過程中產(chǎn)生關(guān)鍵的影響，為構(gòu)建高性能納米流體工質(zhì)提供了重要參考.

圖4 二氧化硅納米流體池沸騰強(qiáng)化換熱研究體系.(a) 不同尺寸二氧化硅納米顆粒的池沸騰臨界熱流密度性質(zhì)[65]；(b) 納米級(jí)二氧化硅的尺寸對(duì)沸騰換熱的影響機(jī)制[71]；(c) 微米級(jí)二氧化硅的尺寸對(duì)沸騰換熱的影響機(jī)制[72]；(d) 表面活性劑對(duì)池沸騰換熱系數(shù)的影響[70]；(e) 二氧化硅納米顆粒薄膜包覆強(qiáng)化核態(tài)沸騰換熱[83]Fig.4 Silica nanofluid-based pool boiling heat transfer enhancement platforms: (a) pool boiling critical heat flux properties of SiO2 nanoparticles with different sizes[65]; (b) size effect of nanoscale SiO2 particles on pool boiling[71]; (c) size effect of submicroscale and microscale SiO2 particles on pool boiling[72]; (d) effect of various surfactants on the pool boiling heat transfer coefficient of SiO2 nanofluids[70]; (e) augmentation of nucleate boiling heat transfer using nanoparticle thin-film coating[83]

除了二氧化硅顆粒結(jié)構(gòu)對(duì)池沸騰換熱性能的影響之外，研究者對(duì)二氧化硅納米流體為池沸騰工質(zhì)的其他性能也進(jìn)行了分析.Kim等[66-67]觀察了二氧化硅納米流體池沸騰過程中加熱表面潤濕性能的變化，納米流體沸騰后的表面比純水沸騰后的表面具有更低的接觸角，接觸角的降低說明納米顆粒在加熱表面形成了沉積層并因此提高了表面潤濕性，表面潤濕性的提高也合理解釋了納米流體工質(zhì)可以通過形成孔狀顆粒層提高沸騰臨界熱流密度.Rostamian與Etesami[69]分析了二氧化硅納米流體為工質(zhì)時(shí)加熱器的表面粗糙度對(duì)換熱性能的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)二氧化硅納米顆粒的添加可以顯著增加臨界熱流密度，而且隨著沸騰時(shí)間的延長加熱表面粗糙度也在不斷增加，這表明臨界熱流密度的增加是由于納米顆粒沉積導(dǎo)致表面潤濕度的升高，并因此提高了臨界熱流密度和沸騰換熱系數(shù).Mukherjee等[74]利用分散在去離子水中的二氧化硅納米流體證實(shí)了納米顆粒的存在可以將池沸騰換熱系數(shù)和臨界熱流密度提高1.3倍左右，而且二氧化硅納米流體沸騰后加熱表面的接觸角發(fā)生了明顯降低的現(xiàn)象，另外二氧化硅納米顆粒還導(dǎo)致了汽泡脫離頻率的降低和汽泡直徑的增加.Tian等[70]分析了不同類型的表面活性劑（十二烷基硫酸鈉、十六烷基三甲基溴化銨和聚山梨醇酯20）對(duì)二氧化硅納米流體顆粒沉降性和池沸騰換熱系數(shù)的影響（圖4(d)），表面活性劑的加入可以明顯提高沸騰換熱性能；納米流體中添加了陰離子表面活性劑十二烷基硫酸鈉的沸騰換熱系數(shù)和加熱面粗糙度要高于添加陽離子表面活性劑十六烷基三甲基溴化銨和非離子表面活性劑聚山梨醇酯20的情況，而且表面活性劑的添加降低了表面張力并促進(jìn)了汽泡的脫離頻率.此外，不僅數(shù)值模擬分析驗(yàn)證了二氧化硅納米流體可以強(qiáng)化池沸騰換熱性能[73,82]，而且更多的研究進(jìn)一步證實(shí)了二氧化硅納米顆粒在沸騰表面的存在可以顯著提高池沸騰臨界熱流密度和核態(tài)沸騰換熱系數(shù)（圖4(e)）[83-84].這些研究結(jié)果不僅驗(yàn)證了二氧化硅納米流體在池沸騰換熱中的重要作用，而且從不同角度揭示了強(qiáng)化換熱的機(jī)理，為高效納米流體換熱體系的構(gòu)建提供了重要理論與技術(shù)支持.

5 二氧化硅納米流體流動(dòng)沸騰換熱

納米流體流動(dòng)沸騰是納米液體工質(zhì)在流動(dòng)過程中被加熱發(fā)生相變的形式，納米流體的流動(dòng)可以是自然循環(huán)也可以是依靠泵等外部源的強(qiáng)制循環(huán).二氧化硅納米流體流動(dòng)沸騰換熱體系目前也是以兩步法為主，常用的液體工質(zhì)包括水、乙醇和R-134a等，納米流體的分散性可以依靠超聲、pH調(diào)節(jié)、磁力攪拌和表面活性劑等多種處理方式進(jìn)行調(diào)節(jié)（表1）.

對(duì)于二氧化硅納米流體流動(dòng)沸騰換熱的研究，國內(nèi)外學(xué)者的關(guān)注相對(duì)較少.陸鑫與楊峻[76]，以及楊文斌與楊峻[77]對(duì)二氧化硅納米流體在重力熱管中的換熱性能進(jìn)行了系統(tǒng)分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)在去離子水中添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%的二氧化硅納米顆?？梢詫Q熱性能提高5.6%～9.6%左右，而在普通水質(zhì)中添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%的二氧化硅納米顆粒僅能將換熱性能提高1.63%～1.7%左右；對(duì)于分散在乙醇中的二氧化硅納米流體，在0～2%的質(zhì)量分?jǐn)?shù)范圍內(nèi)，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.5%時(shí)換熱效果最好，而且顆粒尺寸越小納米流體的換熱性能越高，另外充液率為32%時(shí)的換熱效果要顯著優(yōu)于充液率為24%和40%的情況.Kujawska等[78]對(duì)二氧化硅納米流體工質(zhì)在熱管中流動(dòng)沸騰前后的表面張力和接觸角進(jìn)行了分析，納米流體比水呈現(xiàn)出更低的表面張力和接觸角，而且沸騰后的納米流體工質(zhì)比新制備的工質(zhì)具有更高的表面張力和更低的接觸角，這種現(xiàn)象可能是由于在熱管沸騰實(shí)驗(yàn)中納米顆粒的沉積導(dǎo)致顆粒的濃度降低所導(dǎo)致的.Henderson等[75]將二氧化硅納米顆粒分散至R-134a液體中并觀察了納米流體在水平管內(nèi)的流動(dòng)沸騰換熱性能（圖5(a)），結(jié)果發(fā)現(xiàn)納米流體工質(zhì)比純R-134a工質(zhì)的換熱系數(shù)降低了55%，其原因可能是納米顆粒的分散性較差導(dǎo)致顆粒團(tuán)聚以及在換熱表面形成顆粒薄膜熱阻.此外，Zhang等[79]觀察了分散在水中的二氧化硅納米流體在脈沖熱管內(nèi)的流動(dòng)沸騰換熱性能（圖5(b)），納米顆粒的添加不僅可以促進(jìn)工質(zhì)的相轉(zhuǎn)變過程，而且能夠增加工質(zhì)的瞬時(shí)流速和驅(qū)動(dòng)力，在顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%條件下二氧化硅納米流體的換熱性能可以增加40.1%.這些結(jié)果從不同角度證實(shí)了納米顆粒粒徑、顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)、工質(zhì)類型、充液率和分散性等關(guān)鍵參數(shù)可以對(duì)二氧化硅納米流體的流動(dòng)沸騰換熱性能產(chǎn)生至關(guān)重要的影響，為高效相變對(duì)流換熱體系的設(shè)計(jì)提供了重要依據(jù).

圖5 二氧化硅納米流體流動(dòng)沸騰強(qiáng)化換熱研究體系.(a) 分散至R-134a中二氧化硅納米流體在水平管中的流動(dòng)沸騰換熱裝置[75]；(b) 分散至水中二氧化硅納米流體在脈沖熱管中的流動(dòng)沸騰換熱裝置[79]Fig.5 Silica nanofluid-based flow boiling heat transfer enhancement platforms: (a) flow boiling heat transfer setup of R-134a-based SiO2 nanofluids in a horizontal tube[75]; (b) flow boiling heat transfer setup of water-based SiO2 nanofluids in a pulsating heat pipe[79]

6 結(jié)論

二氧化硅納米顆粒以其良好的機(jī)械和化學(xué)穩(wěn)定性、豐富的結(jié)構(gòu)形式和多樣化的合成方法等優(yōu)勢(shì)引起國內(nèi)外研究者廣泛的關(guān)注，并在熱能存儲(chǔ)、傳感器、環(huán)境、醫(yī)藥和催化等各個(gè)領(lǐng)域發(fā)揮著關(guān)鍵的作用.本文對(duì)二氧化硅納米流體在強(qiáng)化對(duì)流換熱方面的研究進(jìn)展進(jìn)行了系統(tǒng)綜述，介紹了二氧化硅納米流體的性質(zhì)和制備方法，討論并總結(jié)了二氧化硅納米流體在單相對(duì)流（自然對(duì)流和強(qiáng)制對(duì)流）和相變對(duì)流（池沸騰和流動(dòng)沸騰）領(lǐng)域的研究現(xiàn)狀.盡管取得了一系列重要的實(shí)驗(yàn)和理論研究發(fā)現(xiàn)，但是二氧化硅納米流體在對(duì)流換熱領(lǐng)域仍然面臨著諸多挑戰(zhàn).下面列舉了目前存在的一些關(guān)鍵問題以及未來可能的發(fā)展方向，為下一步高性能納米流體液冷換熱技術(shù)體系的合理構(gòu)建提供相應(yīng)的借鑒和參考.

（1）對(duì)于二氧化硅納米流體增強(qiáng)對(duì)流換熱性能的機(jī)制，目前的數(shù)值分析和實(shí)驗(yàn)觀察研究仍不是很完善，一些研究證實(shí)二氧化硅納米顆粒在加熱表面沉降形成多孔層是提高臨界熱流密度和換熱系數(shù)的關(guān)鍵，但是考慮到長期性能可靠性和系統(tǒng)安全性的問題，需要對(duì)二氧化硅納米流體的穩(wěn)定性進(jìn)行綜合優(yōu)化，為了盡快地實(shí)現(xiàn)工業(yè)化應(yīng)用，材料、化學(xué)、電子、機(jī)械和能源等不同學(xué)科領(lǐng)域的學(xué)者進(jìn)行協(xié)作推動(dòng)高性能二氧化硅納米流體換熱體系產(chǎn)業(yè)化發(fā)展也是十分必要的.

（2）隨著未來高端和微型電子芯片的不斷推出，采用無噪聲和快速散熱的液冷技術(shù)代替已趨于極限的風(fēng)冷技術(shù)將是不可避免的，國內(nèi)外研究者從不同角度證實(shí)了二氧化硅納米流體可以強(qiáng)化單相和相變對(duì)流換熱性能并提高溫度分布均勻性，但是目前也有個(gè)別的研究認(rèn)為二氧化硅納米流體的強(qiáng)化對(duì)流換熱作用并不顯著，由于這些研究中二氧化硅納米顆粒的來源和測(cè)試工況均不相同，需要采取統(tǒng)一的測(cè)試條件以更精確地揭示二氧化硅納米流體在冷卻換熱領(lǐng)域中的實(shí)際性能.

（3）對(duì)于二氧化硅納米流體的制備與表征，現(xiàn)有的研究基本以兩步法為主要手段進(jìn)行制備，并利用電子顯微鏡和動(dòng)態(tài)光散射法進(jìn)行表征，不僅操作工藝復(fù)雜，而且很難實(shí)時(shí)準(zhǔn)確地反映納米流體的物化性質(zhì)，因此迫切需要發(fā)展新的二氧化硅納米流體制備與表征工藝以推動(dòng)其產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用.

（4）在顆粒結(jié)構(gòu)和換熱器件結(jié)構(gòu)對(duì)二氧化硅納米流體換熱性能的影響方面，研究者主要利用單一換熱器裝置對(duì)不同尺寸的球形顆粒進(jìn)行了大量研究，近年來研究發(fā)現(xiàn)納米顆粒的形貌、孔徑和表面甚至是換熱器的結(jié)構(gòu)都對(duì)換熱性能產(chǎn)生關(guān)鍵影響，盡管目前的關(guān)注仍然相當(dāng)有限，但是這些為高效納米流體的研發(fā)和高性能微通道液冷體系的合理設(shè)計(jì)提供了重要思路.