溶液燃烧合成纳米MgO-无机硝酸盐复合相变储热材料研究外文翻译资料

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1. 介绍

当在20世纪90年代后期引入时，通过添加纳米尺寸的颗粒调节基本流体的热物理性质的概念激发了科学界的热潮。 这样的想法并不严格地说是革命性的，胶体和微米尺寸的颗粒在过去相当长的时间里一直受到关注。 通过将颗粒尺寸减小到纳米级，然而似乎可以克服在之前的微尺寸颗粒中经历的难题：在较低速度的流动区域中，颗粒倾向于沉积，并且因此流体失去调谐性能。

在接下来的几年中，纳米流体进入了各种研究领域。 图1显示标题中带有“nanofluids”的文档数。 可以看出，文件数量不断上升。 图1的右侧。 如图1所示，大多数出版物属于工程研究领域。 所有数据取自Scopus数据库。

Fig. 1. The number of published documents with lsquo;lsquo;nanofluids” in the title keeps on growing each year. Most publications belong to the engineering sector. (All data from

Scopus.)

除了在本文中仅涉及的工作流体中的热传递的改进之外，还使用纳米流体在医药，防晒产品，电子和许多其他应用。

这一贡献描述了工程部门中纳米流体的当前情况。 第一部分简要描述了纳米颗粒对流体的热物理性质的影响。 因此，来自文献的数据以及自己的测量被示出，并且在某些点，评论。 第二部分总结了关于纳米流体通过基础研究状态并计划在实际应用中使用的项目的最新报告。

1. 热物理性质

如前所述，将纳米颗粒添加到基本流体可以导致具有改变的有效热物理性质的纳米流体。 术语有效意味着，不是基本流体本身受影响，而是产生新型流体，其由分散在其中的基本流体和纳米颗粒组成。 在本节中，简要描述了四种热物理性质，即密度，比热，导热性和那些纳米流体的粘度。 必须注意的是，这些性质中的每一个，特别是导热性和粘度，仍然在文献中强烈讨论。 这个贡献给出了简短的总结，补充了自己的测量，但不被视为关于纳米流体的热物理性质的综合评论。

2.1. 密度

纳米流体的有效密度通常假定为纳米颗粒的基本流体密度rho;bf和密度rho;np的混合性质。 混合参数是体积颗粒分数fV：

其中纳米颗粒的体积Vnp和Vbf分别是基础流体的体积。 后一近似适用于低颗粒分数。 对于引入的颗粒部分，纳米流体的有效密度由下式给出：rho;_nf=f_V·rho;_np (1-f_V)·rho;_bf.

使用Gay Lussac型比重瓶测量密度，并与方程 （2）。 对氮化钛TiN·H2O和银Ag·H2O纳米流体进行测量。 颗粒分数fV（Eq。（1））在2.1·10^-3和1.2·10^-5之间变化。 所有数据在22℃的室温下记录。 H 2 O的碱性流体数据来自NIST REFPROP数据库。

其他数据取自文献：Vajjha 等人使用Anton-Paar DMA 45密度计测量60/40 EG / H 2 O质量％基础流体混合物中氧化铝纳米颗粒的密度。 粒度分数范围为0.01至0.1。 Ho等人使用由Kyoto Electronics Manufacturing Co.制造的DA-505密度计来量化在fV = 0.001至0.04的范围内的Al 2 O 3纳米流体的有效密度。 所有测量数据如图1所示。 2作为横坐标值。 纵坐标值表示使用等式的理论预测。 虚线表示完全拟合和plusmn;1％偏差。 该图显示，使用等式可以非常精确地预测纳米流体的有效密度。（参见图2）。

2.2. 比热

由Pak和Cho给出的用于计算纳米流体的有效比热的早期建议是基础流体比热cp，bf和纳米颗粒比热cp，np的加权平均值。 之后，Xuan和Roetzel介绍了同时被普遍接受的相关性：

图3显示了测量值与方程的一致性。通过作者使用Perkin Elmer DSC7差示扫描量热计测量TiN·H 2 O和Ag·H 2 O的有效比热。 添加来自文献的各种值以用于更好的比较：Barbeacute;set al。 使用Setaram DSCII微量热计测量Al2O3·H2O，Al2O3-EG CuO·H2O和CuO-EG纳米流体的比热。

由OHanley等人使用TA Instruments Q2000 DSC测量CuO·H 2 O和Al 2 O 3·H 2 O的值。 由Pantzali等人 用Setaram C80D差示扫描量热计进行测量。 图3揭示了纳米流体的有效比热可以使用公式良好地预测。

2.3． 导热系数

由于对对流热传递的积极影响，流体的有效导热率的增强可能是纳米流体概念背后的主要驱动力。 由基础流体和纳米颗粒knp的热导率kbf组成的纳米流体的有效热导率knf的众所周知的相关性由Maxwell给出：

等式 （4）改性几次，例如。 对于不同的粒子形状由Hamilton和Crosser。 Nan等人给出了关于几种延伸的良好概述。考虑到界面热Kapitza电阻的相关性由Hasselman和Johnson给出：

其中alpha;= Rbd·kbf / dp是包括边界电阻Rbd的无量纲参数，其大约为10-8m 2 K / W。 参数dp是粒径。 通过添加纳米颗粒，例如Eastman等人通过添加纳米颗粒，热导率的强烈增加，激励了许多科学家寻找合适的材料和理论描述。 Keblinski等人的几种可能的机制的建议 解释这些发现引发了关于纳米颗粒对热传输的方式的强烈讨论。特别地，Keblinski等人提到颗粒的布朗运动，在颗粒与周围液体和颗粒聚集之间的界面处的液体分层，在麦克斯韦理论中没有考虑这些机制。 布朗运动被认为通过被颗粒拖曳的流体体积提高了热导率，并因此改善了热传输。 然而，这种效果是不合理的。 在分子动力学模拟中Evans等人 或Vladkov和Barrat，还使用分子动力学模拟，Xue等人讨论了Keblinski等人的第二个建议，在具有增强的导热性的颗粒周围的液体层的顺序以及从一个颗粒到另一个颗粒的热携带声子“隧穿”的可能性。 他们表明，考虑到这些层在模拟中不影响界面中的温度梯度。Keblinski自己总结了这些建议机制的讨论，结论是颗粒的聚集，特别是链状团簇的建立，可以增强导热性。 然而，纳米颗粒的聚集随着流体粘度的增加而增加，这在大多数工程应用中不受欢迎。 Keblinski另外讨论了 - 同时反驳 - 可能增加热传导率的近场辐射效应。

循环测试得出结论，纳米流体的有效热导率可以通过使用公式 （4），不包含边界电阻，作为上界和方程。 （5）作为下限。 基于此结论，来自不同作者的各种测量值如图1所示。 该图将如下读出：将每个测量值与方程1的预测进行比较。 （4）作为上界， （5）作为下限。 因此，图1中的每个文献值。 图4由具有两个计算值作为限制的条表示。 根据[31]的结论，钢筋应该在某点穿过中心线。 另外用虚线表示在每个方向上与10％的理论的偏差。

特别地，数据取自：Beck等人报道了使用瞬时热线法的Al 2 O 3 -EG纳米流体和Al 2 O 3·H 2 O的热导率。 Barbeacute;s等人使用Setaram C80D差热流微量热计来测量Al2O3-EG，Al2O3·H2O和CuO·H2O纳米流体的热导率。 Anoop等人使用稳态平行板装置。 Al2O3·H2O。 Khedkar等人报道了用瞬态线热源法测量的CuO·H 2 O和CuO-EG的值。 Zennifer等人使用Decagon Devices的KD2 Pro瞬态热线装置来测量CuO-EG的热导率。 由Pantzali等人测量的CuO·H 2 O的值 还示出了使用瞬时热线技术。 Buonomo等人 使用NanoFlash NETZSCH LFA 447的热反射方法。他们研究了超声处理时间，体积浓度和温度对Al2O3·H2O的热导率的影响。 Eastman等人用瞬态热丝法测量Cu-EG的热导率。 通过改变样品制备和测量之间的时间延迟以及添加酸作为稳定剂，它们根据纳米流体的聚集测量热导率。 Murshed等人用瞬态热线法分析了形状和颗粒体积分数对TiO2·H2O的热导率的影响。 此外，Turgut等人检查了TiO 2·H 2 O的导热率作为体积分数和温度的函数。 他们使用具有3omega;方法的瞬态热线。

图4显示，大多数测量数据与循环测试的结论良好一致，同时可以看到一些偏离的值。 没有一个结果强烈地过度预测测量值，而一些测量值高于理论预测。 这些结果可以在图1中的下灰色虚线下面看到。 强的偏差可以特别地在Murshed等人（green1三角形），Eastman等人（橙色圆圈）和Zennifer等人 （粉色三角形）报道的结果中看出。 Tertsinidou等人给出了解决纳米流体的热导率测量中的不同测量技术和系统误差的详细解释。他们认为，系统误差可能源于各个瞬态热线装置中的不同设置。 在他们的分析中，作者明确地分析了Murshed等人的结果。 由于在他们的设备中使用不适当的导线以及太长的测量时间，这可能导致对流误差。 此外，Tertsinidou等人反对由Eastman等人报道的高值 出于类似的原因：所用的热线设备由用环氧树脂绝缘的50mu;m直径的线构成。 结合长达10秒的非常长的测量时间，作者认为不能排除对流。 他们描述使用的电线应该薄（低于50微米）。 然而，Zennifer等人 使用厚度为1.3 mm的KS-1探头。 根据Tertsinidou等人的论证，对理论的偏差很可能通过对流的开始来解释。

上图4中所示的值，不产生与基准研究建议的下限和上限的强偏差。 报告的与理论的偏差可以由一些瞬态热线设备的系统误差来解释。 此外，由使用不同（或不同百分比）稳定剂制备的类似样品可能产生错误，这可能导致研究者之间的偏差结果。 在Tertsinidou等人的结论之后，在偏离上述理论的意义上不同效应的广泛的系统研究对于发现纳米流体的任何异常行为是必要的。

因为几乎没有关于纳米流体的有效热扩散率alpha;nf的论文，所以在单个部分中没有报道发现。 热扩散系数可由有效热导率knf计算如下：

考虑密度rho;nf和比热cp，nf如上节所示。 Murshed等人报道了纳米流体的热扩散性增强，超过了由式（6），由于单独的热导率的提高。 然而，必须考虑，为了计算理论值，作者使用测量值。 如上所述的热导率，Murshed等人使用的热线设备 可能受对流效应的影响。 此外，纳米流体的热扩散系数的测量由Zhang等人 以及Lopez-Munoz等人 作者没有报告异常的影响。 然而，关于纳米流体的热扩散率的贡献的数量太低，无法验证公式（6）。

2.4． 粘度

纳米流体由于其增加的热导率而对热传递带来的益处通过纳米颗粒引起的粘度的增加来抵消。 热传递的增加可导致过程效率的提高，热交换器表面积的减小或流速的降低。 然而，粘度的升高导致更高的压力损失，从而提高泵送功率需求。 从基流体粘度eta;bf开始计算纳米流体粘度eta;nf的一种简单方法由爱因斯坦给出：eta;nf=eta;bfsdot;(1 2.5fV).

然而，纳米流体粘度的许多相关性可以在文献[12] [ 47]; [48]; [49]; [50]; [51]中找到。 与纳米流体的有效密度和比热的广泛接受的相关性不同，粘度是一个强烈讨论的研究领域。 原因是，几个参数，例如温度，压力，粒径，颗粒形状，剪切速率，pH值和体积分数影响纳米流体的粘度。 而一些参数的影响似乎是显而易见的（更高的颗粒分数fV导致粘度增加），而其他的是强烈争论。 关于剪切速率的影响，例如，一些作者声称纳米流体显示牛顿行为，而其他人报告偏差效应。一些作者报告了进一步的发现，例如滞后效应或剪切变稀和剪切增稠行为在不同剪切速率下的组合。 因此，找到具有广泛有效性的合适相关性是非常复杂的。

用于描述纳米流体粘度的当前方法的实例显示在图5中。Meybodi等人使用来自文献的大量测量值来测量Al 2 O 3，TiO 2，SiO 2和CuO纳米流体的粘度，以拟合7参数回归曲线。

从图5可以看出除了由爱因斯坦提出的模型（方程（6））外，对于粘度的Brinkman相关性（方程式（7）），曲线似乎比表1中总结的各种方程式更好地拟合数据。这种方法通过将现有溶液作为加入另一溶质分子的连续介质，将有效性范围扩展至中等粒度级分。 另一个扩展到爱因斯坦公式的目标在更广泛的有效性由Ward给出（公式（8））。 Lundgren模型（等式（9））也基于爱因斯坦公式，另外考虑布朗运动。 然而，对于小颗粒负载，该模型接近等式 （6）。 Batchelor模型（公式（10））表示等式（6）的另一个扩展，这可以在两个等式的结构中容易地看出。Batchelor包含由于布朗运动和粒子对之间的流体动力学相互作用的效应。 等式 （11）由Meybodi等人给出。 在这一点上不能描述，因为Wang在论文中提到的论文论述了导热性，因此必定是一个错误。 Chen等人使用实验值并拟合得到等式（12）的回归曲线。 等式 （13）可以追溯到1960年福特使用Binghams的想法，不使用粘度，但倒数，流动性，导出一系列的膨胀。 所得到的方程因此类似于爱因斯坦公式，然而具有广泛的有效范围。 在这一点上必须注意，在文献中可以找到更多的这种相关性（参见例如[12]; [68]）。

但即使是Meybody等人使用的这种大规模回归曲线， 既不包括颗粒形状，pH值或压力也不包括剪切速率。 粒度被包含在拟合的参数中，因此将偏离比范围更小或更大的粒子，相关中的参数被拟合

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