王美霞，劉 斌，郭 蘅( 天津商業(yè)大學(xué)，天津 300134 )

Al2O3-H2O納米流體布朗運(yùn)動實驗研究

王美霞，劉 斌，郭 蘅
( 天津商業(yè)大學(xué)，天津 300134 )

使用VIC-2D、mATLAB、Linksys32、Image-Pro Plus和Origin8.5等軟件，以Al2O3-H2O納米流體為實驗材料，分析降溫過程中粒徑(50、100、500nm)和濃度(0.01%、0.05%、0.1%)不同時其內(nèi)部顆粒的布朗運(yùn)動并驗證其隨機(jī)性，總結(jié)降溫過程中單個Al2O3-H2O納米顆粒團(tuán)聚體的運(yùn)動軌跡、速度以及Al2O3-H2O納米顆粒團(tuán)聚體的表面積、直徑隨時間和溫度的變化關(guān)系。結(jié)果表明：顯微鏡整個視野范圍內(nèi)納米流體的平均、最大直徑和平均、最大面積分別隨時間、溫度的變化近似服從正弦分布；降溫速率相同時，不同粒徑和質(zhì)量分?jǐn)?shù)的Al2O3-H2O納米流體呈現(xiàn)最佳分散性的時刻與溫度各不相同。該實驗結(jié)果為后人探究完善納米流體的布朗運(yùn)動提供了一定的參考數(shù)據(jù)和理論依據(jù)，甚至對全面系統(tǒng)地表征納米流體的微觀結(jié)構(gòu)、建立其熱物理參數(shù)和熱學(xué)特性測試的標(biāo)準(zhǔn)化儀器、規(guī)范和測試條件也是必要的。

Al2O3-H2O納米流體；布朗運(yùn)動；分散性

0 前言

當(dāng)前，全球能源與環(huán)境形勢嚴(yán)峻，尋求高效、環(huán)保的新能源以促進(jìn)節(jié)能減排迫在眉睫。納米流體作為一種新型傳熱工質(zhì)，是將直徑為1～100nm的顆粒以一定的方式、比例添加在基液中形成的[1]，以良好的傳熱性能、較大的蓄/釋冷量、相變時更為穩(wěn)定等突出優(yōu)點(diǎn)[2-4]，從一出現(xiàn)便贏得廣大研究人員青睞[5-6]。納米流體可替代水介質(zhì)(導(dǎo)熱系數(shù)低，蓄冷傳熱慢，且成核需要一定過冷度，系統(tǒng)的COP較小[7])作為新一代蓄冷工質(zhì)，推動強(qiáng)化傳熱技術(shù)和相變蓄冷領(lǐng)域的發(fā)展；近年來無機(jī)納米顆粒與亞微米級膠乳復(fù)合而成的新型智能涂料也日益增多[8-9]，滿足環(huán)保要求的同時，提升了工業(yè)與建筑行業(yè)的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)等，可想而知隨著納米流體研究技術(shù)的深入，其未來的應(yīng)用領(lǐng)域?qū)⒉豢上蘖俊?/p>

布朗運(yùn)動一般認(rèn)為是由于分子撞擊而產(chǎn)生的懸浮微粒的無規(guī)則運(yùn)動。它具有無規(guī)則、永不停歇和顆粒越小，溫度越高，運(yùn)動越明顯的特點(diǎn)，納米流體中也存在布朗運(yùn)動，如：釋冷傳熱過程中，由于布朗運(yùn)動納米顆粒在基液中隨著溫度的降低會產(chǎn)生聚沉現(xiàn)象，導(dǎo)致COP降低；在新型智能涂料干燥過程中，粒子布朗運(yùn)動會影響涂層結(jié)構(gòu)，使得在涂層厚度方向大小粒子分布不均勻[8-9]等。所以探究納米流體布朗運(yùn)動對于將其應(yīng)用于強(qiáng)化傳熱、解決涂料中顆粒遷移問題和探討優(yōu)化現(xiàn)存工業(yè)問題的可行性具有重大意義。

同時，目前布朗運(yùn)動的實驗和理論研究已比較豐富，但對于納米顆粒團(tuán)聚體的布朗運(yùn)動仍關(guān)注較少，且大量關(guān)于布朗運(yùn)動的研究主要集中于實驗和理論擴(kuò)散系數(shù)的對比，而納米微粒在布朗運(yùn)動過程中其他參數(shù)(如面積、直徑和速度)的變化及其規(guī)律幾乎無人關(guān)注。故筆者所在課題組以Al2O3-H2O納米流體為實驗材料，對以上布朗運(yùn)動參數(shù)變化進(jìn)行觀察總結(jié)，得到一些可靠結(jié)論，可為完善納米流體布朗運(yùn)動體系提供實驗與理論根據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與設(shè)備

本實驗所用材料：Al2O3-H2O納米流體，由杭州萬景新材料有限公司提供，粒子形狀基本為球形或類球形，呈較好的單分散性，Al2O3-H2O納米顆粒直徑分別為50、100、500nm，質(zhì)量分?jǐn)?shù)均為20%；去離子水，我校生食學(xué)院實驗室自制，純度較高。

本實驗所用設(shè)備：手動滴液器，超聲波震蕩儀，電子天平，差示熱掃描量熱儀(DSC)，低溫顯微鏡(BX51/Olympas)，DSA30(德國KRUSS公司生產(chǎn))。

1.2 實驗方案

1)用去離子水對粒徑為50、100、500nm，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%的Al2O3-H2O納米流體進(jìn)行稀釋，稀釋后質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0.01%、0.05%、0.1%，此時獲得試驗材料；

2)手動滴液器內(nèi)裝有配置好的Al2O3-H2O納米流體，按照每次兩滴的標(biāo)準(zhǔn)，滴在蓋玻片上，然后將蓋玻片上的液滴均勻涂抹開(利用DSA30和連接電腦的高速攝像機(jī)CCD測得液滴體積為0.580μL/滴；蓋玻片尺寸24×24mm，厚度0.13～0.17mm)；

3)對不同粒徑(50、100、500nm)和不同濃度(0.01%、0.05%、0.1%)的Al2O3-H2O納米流體進(jìn)行降溫，降溫速率依次為1、5、10℃/min；

4)放置一段時間，待液體在蓋玻片上的溫度達(dá)到14.7℃(實驗開始時的溫度)后，利用低溫顯微鏡(BX51/Olympas)對實驗過程進(jìn)行觀察，并利用Linksys32對實驗過程進(jìn)行原始圖像采集，拍照時間間隔為0.5s，同時利用屏幕錄像軟件對降溫過程中微粒的運(yùn)動進(jìn)行記錄；

5)然后對每次實驗所得原始圖像用VIC-2D、mATLAB、Image-Pro Plus和Origin8.5等軟件進(jìn)行分析。

2 實驗結(jié)果與分析

利用Image-Pro Plus等軟件對原始圖像進(jìn)行處理，可知不同時刻和不同溫度下，不同粒徑(50、100、500nm)和不同濃度(0.01%、0.05%、0.1%)的Al2O3-H2O納米流體在蓋玻片上的分布情況，得到每一分組中Al2O3-H2O納米顆粒團(tuán)聚體的面積和直徑隨時間和溫度的變化關(guān)系，從而可統(tǒng)計單個納米顆粒團(tuán)聚體的長大和運(yùn)動軌跡以及納米顆粒團(tuán)聚體的最大面積、平均面積和最大直徑、平均直徑隨時間和溫度的變化趨勢。由于本實驗按照顆粒、質(zhì)量分?jǐn)?shù)和降溫速率的不同分為27組，實驗處理所得數(shù)據(jù)與圖像較多，不便一一列出，筆者以現(xiàn)有條件又無法將不同實驗組的某些結(jié)果進(jìn)行匯總比較，這是本實驗不足之處。下面以粒徑50nm，質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.01%，降溫速率1℃/min的Al2O3-H2O納米流體為例，稱為代表組，說明實驗結(jié)果及其意義。

2.1 隨機(jī)性驗證

使用VIC-2D軟件可觀測出各組Al2O3-H2O納米流體的流動方向和流場情況，由mATLAB進(jìn)一步處理可得到納米顆粒的速度矢量圖，每一分組的圖形呈現(xiàn)相似的規(guī)律。圖1是t=0.5s時代表組中納米顆粒的速度矢量圖，可以看出，不同的納米顆粒具有不同的速度矢量，呈現(xiàn)爆炸式排列，從而驗證納米顆粒的移動方向毫無規(guī)律，其布朗運(yùn)動是無規(guī)則的，隨機(jī)性的。

整體效果圖 局部放大圖圖1 速度矢量圖

2.2 不同時刻、溫度下單個團(tuán)聚體的長大以及運(yùn)動軌跡

對每一分組進(jìn)行實驗觀察，利用Linksys32進(jìn)行圖像采集獲得原始圖像，同時利用屏幕錄像軟件對降溫過程中微粒的運(yùn)動進(jìn)行記錄。然后用Image-Pro Plus處理各組原始圖像可得到不同時刻和溫度條件下每個納米顆粒團(tuán)聚體的分布情況，以及其中心位置對應(yīng)的坐標(biāo)。如圖2所示t=186s，T=11.6℃時代表組的有關(guān)情況，圖中紅色表示納米顆粒團(tuán)的邊界線，綠色為每個團(tuán)聚體的編號，右下角為照片標(biāo)尺，單位為微米(μm)。

同樣，每一分組中可定義追蹤粒子團(tuán)，利用Origin進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，得到追蹤粒子團(tuán)在不同時刻和溫度(6～366s、14.6～8.6℃)下其面積、位置、尺寸的變化，并擬合得到各參數(shù)的變化曲線，代表組中追蹤粒子團(tuán)的相關(guān)參數(shù)分別如圖3至圖6所示。在366s之后，納米顆粒由于自身的布朗運(yùn)動，以及冷臺本身的振動，移動出顯微鏡的視野之外，因此停止分析。為了對比，對后面幾組實驗數(shù)據(jù)的分析也采用此溫度范圍。

圖3為追蹤粒子團(tuán)的運(yùn)動軌跡，在此時間和溫度范圍內(nèi)該粒子團(tuán)的運(yùn)動軌跡比較接近直線。圖4顯示該粒子團(tuán)面積隨時間延長、溫度降低而不斷波動，但由其擬合曲線可看出，其總體趨勢為不斷增大，原因可能是納米顆粒在重復(fù)“碰撞—結(jié)合—分離”的過程中，結(jié)合效應(yīng)大于分散效應(yīng)，因此不斷團(tuán)聚“長大”。特別地，該粒子團(tuán)隨溫度的降低而面積增大，可能是溫度越低，Al2O3-H2O納米流體擴(kuò)散系數(shù)越小，粘度越大，運(yùn)動逐漸變?nèi)酰虼烁菀讏F(tuán)聚。圖5中尺寸的變化與面積的變化趨勢相同，可輔助證明上述推測。

本實驗設(shè)置顯微鏡的拍照間隔是0.5s，因此通過相鄰兩張照片中同一追蹤粒子團(tuán)的坐標(biāo)變化求得不同時刻和溫度下的速度，并擬合得到速度與時間、溫度的近似函數(shù)關(guān)系，如圖6所示。由圖可知，納米顆粒的速度隨時間和溫度變化而不斷波動，由其擬合得到的非線性函數(shù)可知，速度隨時間延長和溫度的降低均呈現(xiàn)先降低后增大的趨勢，但這并不違背“布朗運(yùn)動隨溫度升高而愈加劇烈”的規(guī)律，因為本實驗只是追蹤了一個離子團(tuán)，而后者指的是整個體系中所有顆粒的布朗運(yùn)動，所以本實驗中平均參數(shù)的參考價值會是更大。

圖2 t=186s，T=11.6℃時代表組的分布情況

圖3 軌跡曲線

圖4 粒子團(tuán)面積分別隨溫度和時間的變化

圖5 當(dāng)量直徑，長度和寬度分別隨溫度和時間的變化

圖6 速度分別隨溫度和時間的變化

圖3至圖6雖擬合得到代表組中粒子團(tuán)參數(shù)與時間和溫度的關(guān)系曲線，但只是用來分析其變化趨勢，由于布朗運(yùn)動的隨機(jī)和無規(guī)則性，同樣溫度下不同粒子團(tuán)具體的運(yùn)動可能不同，但其變化趨勢卻是相似的，其他分組的實驗結(jié)果證明了該結(jié)論。

2.3 不同時刻、溫度下粒子團(tuán)的最大和平均面積、最大和平均直徑

對每一分組實驗所得直徑和面積進(jìn)行統(tǒng)計，利用origin處理該數(shù)據(jù)，得到追蹤粒子團(tuán)的最大面積、平均面積和最大直徑、平均直徑分別與時間和溫度的變化關(guān)系及其擬合曲線，分別如圖7至圖10所示?？梢钥闯鼋禍剡^程中，納米顆粒團(tuán)聚體的該參數(shù)均隨時間和溫度不斷波動，忽大忽小，近似符合正弦分布。由此驗證布朗運(yùn)動規(guī)律，看似靜止的納米流體內(nèi)部，納米顆粒在不斷運(yùn)動，并不停重復(fù)“碰撞—結(jié)合—分離”的過程。

當(dāng)時間為366s，溫度為8.7℃時，代表組中的追蹤粒子團(tuán)的最大、平均面積和最大、平均直徑都取得極小值，因此在這一時刻綜合評估所得的分散性最好。同理，其他分組的該參數(shù)亦可分別取得最小值，得到綜合評估分散性最好的一點(diǎn)，但是由于納米顆粒粒徑、質(zhì)量分?jǐn)?shù)和降溫速率不同的影響，各個分組實驗所得值分別不同，如表1列出了部分分組中分散性最好的時刻和溫度。

圖7 最大面積分別隨時間與溫度的變化

圖8 平均面積分別隨時間與溫度的變化

圖9 最大直徑分別隨時間與溫度的變化

圖10 平均直徑分別隨時間與溫度的變化

3 結(jié)論

3.1 分散性與時間和溫度的關(guān)系

降溫過程中，顯微鏡整個視野范圍內(nèi)納米流體的平均、最大直徑和平均、最大面積分別隨時間、溫度的變化近似服從正弦分布。

表1 分散性最好的時刻和溫度

質(zhì)量分?jǐn)?shù)粒徑/nm時間/s溫度/℃0.01%503668.71004285.75004976.70.05%506245.210010021.6500361.59.6

降溫速率為1℃/min時，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.01%，不同粒徑(50、100、500nm)的Al2O3-H2O納米流體分散性最好的時間與溫度值：t=366s，T=8.7℃；t=428s，T=5.7℃；t=497s，T=6.7℃；質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.05%，不同粒徑(50、100、500nm)的Al2O3-H2O納米流體分散性最好的時間與溫度值：t=624s，T=5.2℃；t=1002s，T=1.6℃；t=361.5s，T=9.6℃。

3.2 速度與溫度的關(guān)系

降溫過程中不同分組的Al2O3-H2O納米顆粒團(tuán)聚體速度隨著溫度的變化趨勢相同，即速度隨溫度的降低均呈現(xiàn)總體降低趨勢，但以下實驗結(jié)果：同樣的降溫速率下，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.01%，不同粒徑(50、100、500nm)的Al2O3-H2O納米流體在9.6～13.6℃范圍內(nèi)的速度排序，依次為V500nm

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The Research on the Brownian motion of Al2O3-H2O Nanofluids

WANG meixia，LIU Bin，GUO Heng

( Tianjin University of Commerce，Tianjin 300134， China )

With the help of VIC-2D，mATLAB，Linksys32，Image-Pro Plus and Origin8.5 named software，we carried out experiments on the nanoparticles motion in Al2O3-H2O nanofluids of different particle sizes(50，100，500)and different mass fraction(0.01%、0.05%、0.1%)to analyze its Brownian motion and verify its stochastic in the temperature reducing process.And the changes of the trajectories and velocities of single nanoparticles aggregate and the surface and diameters of the nanoparticles aggregates with time and temperature are summarized during the process of cooling.The results show that，firstly，the variation of the diameter and surface of the nanoparticles in the whole field of the visual of the microscope is approximately subject to the sine distribution.secondly，when the cooling rate is same，the moments and temperature of the best dispersion of Al2O3-H2O nanofluids are found to be different with the mass fraction or the particle sizes changing.The results can provide a theoretical basis for later experiments and analysis on researching and improving the Brownian motion of nanofluids，even it is of great necessity for expressing systematically the micro-structure of nanofluids，and establishing its thermal physical parameters，and standard instruments， specifications and test conditions for thermal characterization testing.

Al2O3-H2Onanofluids；Brownian motion；Dispersion

2016-9-24

天津市科委基金項目(15JCTPJC64300)

王美霞(1992-)，女，碩士研究生，主要從事制冷系統(tǒng)優(yōu)化及節(jié)能技術(shù)的研究。Email:tingting521xia@163.com

ISSN1005-9180(2016)04-022-07

O351.2文獻(xiàn)標(biāo)示碼：A

10.3696/J.ISSN.1005-9180.2016.04.004