Al2O3纳米流体沸腾传热临界热流密度影响因素研究进展

何薇薇,杜孟华,井 雯,许 玉

(南京航空航天大学 飞行器环境控制与生命保障工业和信息化部重点实验室，江苏 南京 210016)

随着高性能飞机电子设备和高能武器的不断增多以及功率的不断增大，机载设备的热负荷不断增加。由于温度越高，设备的可靠性越低，因而，需要对它们进行高效的冷却，以保证其稳定可靠的运行。沸腾传热作为一种新型强化换热方式，基于气液相变原理，性能系数比传统的机载空气循环制冷方式高很多，可以满足机载设备的冷却需求。然而，对于飞机尤其是战机，其飞行时通常处于超重力环境，该因素对换热的影响不容忽视。

沸腾传热的一个重要特性是CHF，当发生CHF现象时，传热急剧恶化，壁面温度迅速上升，设备的可靠性显著降低，这对飞机的效能和安全非常不利。为了强化沸腾传热CHF，研究人员尝试了多种方法，例如改变换热面积、换热通道形状、换热表面亲疏水性以及改变换热流体工况参数，如质量流速、工作压力、流向等。“纳米流体强化技术”这一概念直至二十世纪90年代才被提出。1993年，日本东北大学的Masuda[1]尝试制备了不同体积浓度的纳米颗粒水基悬浮液，并对溶液的热物性进行了测定；1995年，美国阿贡国家实验室的Choi[2]提出了纳米流体的概念。

纳米流体可以概括为采用一定的方式和比例，把导热系数较高的金属(如Al、Fe、Cu、Ag、Au、Ti等)、非金属(如Si、CNT(碳纳米管)、金刚石等)、金属氧化物(Al2O3、CuO、TiO2等)、非金属化合(如SiO2、SiC、BN(氮化硼)等)纳米颗粒分散到基液中，形成的稳定均匀的新型换热介质[3-4]。由于具有更好的换热特性，纳米流体自概念提出后逐渐被广泛研究，但截至目前，大多数研究都集中在单相流、两相流换热系数和压降方面。关于纳米流体沸腾传热CHF的研究起步较晚，直到2003年，You等[5]开始对纳米流体池沸腾CHF进行研究，发现纳米流体池沸腾的CHF提高了200%。2008年，Kim[6]等对常重力下纳米流体沸腾传热CHF进行了实验研究，发现CHF增强了30%。此后，陆续有学者对多种情况下的纳米流体沸腾传热CHF进行研究，并探究在外场(如电场、磁场、重力场、超声波等)作用下CHF的变化规律。Fang等[7]通过总结纳米流体池沸腾和流动沸腾的实验研究，发现实验中采用的纳米颗粒均以Al2O3为最多，分别占33.3%和42.2%。因此，本文将聚焦以Al2O3纳米颗粒为对象的沸腾传热CHF研究。

本文通过总结分析近几年国内外关于Al2O3纳米流体沸腾传热CHF的相关研究，探究不同因素对CHF的影响，得到CHF随各种因素变化的一般规律。

1 纳米颗粒种类和浓度的影响

1.1 纳米颗粒种类的影响

纳米流体的制备方法主要有一步法和两步法，前者在进行纳米颗粒制备的同时，将纳米颗粒分散到基液中，两个过程同步进行，后者则是先制备纳米颗粒，然后采用超声分散的方式打断因颗粒表面活性作用而产生的团聚体，并结合添加分散剂(ACT(柠檬酸三铵)、SDBS(十二烷基苯磺酸钠)、乳化剂OP(聚乙二醇辛基苯基醚)等[8])、调节pH值等方式获得纳米流体。由于一步法所需设备较为复杂，不利于大规模制备，因此，目前主要采用两步法制备纳米流体[9]。

Masuda等[1]尝试通过静电斥力技术制备了Al2O3/水纳米流体、SiO2/水纳米流体、TiO2/水纳米流体三种分散体系；李浩然等[10]以聚乙烯吡咯烷酮(PolyvinylPyrrolidone，PVP)为分散剂制备了稳定的ZnO纳米流体，并分析了其沸腾换热特性；王宏宇等[9]指出Al2O3和SiO2是工业制备纳米流体的常用颗粒，并从超声分散时间、分散剂浓度及分散剂种类等方面讨论了Al2O3/水和SiO2/水纳米流体的稳定性；王洪亮等[11]通过两步法制备了Al2O3/水纳米流体，发现其稳定时间达到4小时以上，可以满足实验要求。

Fang等[7]对纳米流体池沸腾的实验研究进行了总结，发现用于实验的纳米颗粒主要为Al2O3、CuO和TiO2，分别占33.3%、14.6%和11.4%，随后是SiO2(8.1%)、CNT(7.3%)、ZnO(6.5%)、Cu(5.7%)、Fe3O4(3.3%)和ZrO2(3.3%)。采用的基液中水占85.7%，其次是乙二醇或乙二醇-水混合物(7.6%)和制冷剂(5%)。在流动沸腾实验中，采用的纳米颗粒主要为Al2O3和CuO，分别占42.2%和20%(图1)。基液主要为水(77.8%)和制冷剂(17.8%)。

图1 流动沸腾实验所用纳米颗粒种类[7]

李呼昂等[12]采用两步法制备了石墨纳米溶液，并对其沸腾传热现象和CHF特性进行了实验研究，发现相比去离子水(DIwater)，石墨纳米溶液能够强化沸腾传热系数，较大幅度提高CHF。例如，1g/L石墨纳米溶液的CHF为1.98W/m2，是DI water的186%。Lee等[13]比较了体积分数为0.01%和0.001%的Al/水、SiC/水纳米流体的CHF，结果显示SiC/水纳米流体的CHF更高。Yildiz等[14]利用理论关联式和实验的方法研究了混合纳米流体(Al2O3和SiO2)的传热性能，发现在低体积分数下，与单一纳米流体相比，混合纳米流体传热能力增强。Minakov等[15]在圆柱型加热器上对SiO2、Al2O3、Fe2O3等纳米颗粒制备的流体进行了沸腾实验研究，结果表明CHF随纳米颗粒尺寸的增大而增大，并首次揭示沸腾持续时间与CHF存在一定的相关性，随着沸腾过程时间的增加，CHF增加，并达到一定的稳态水平。王洪亮等[11]利用扫描电镜(SEM)获得了Al、TiO2、Al2O3、CNT四种纳米颗粒的形状，并对制备的纳米流体的稳定性进行了观察，发现Al纳米流体性质活泼，在制备过程中会发生化学反应并逐渐产生气泡，因而不宜应用到实验中。图2为王洪亮等[11]进行纳米流体CHF实验所得结果，可见相比DI water，3种体积分数为0.001%纳米流体的CHF提高了50%左右。

总的来说，上述纳米流体和常规流体沸腾传热对比实验表明，添加纳米颗粒能够提高沸腾传热CHF。

图2 不同种类纳米颗粒的CHF强化效果[11]

1.2 纳米颗粒浓度的影响

Kim等[16]制备了体积分数0.001%～0.1%的Al2O3/水纳米流体，通过实验获得进口过冷度25℃时沸腾传热的CHF(图3)。从中可以看出，随着纳米颗粒浓度的增加，CHF并没有明显变化。他们认为，在低浓度时(≤0.001%)，浓度不断提升会引起纳米颗粒逐渐沉积，纳米流体的CHF随着浓度的提升而增加。当浓度继续提升大于0.001%时，CHF几乎保持不变。此外，纳米流体CHF还随着质量流速的增大而提升。Hedge等[17]在对CuO纳米流体沸腾传热CHF的研究中得到了类似的增长趋势。

图3 CHF与纳米颗粒浓度关系[16]

Ham等[18]制备了四种体积分数(0.001%、0.01%、0.05%、0.1%)的Al2O3/水纳米流体，在绝对粗糙度(Ra)分别为177.5nm和292.8nm的表面进行池沸腾实验，探究纳米流体浓度对池沸腾CHF的影响(图4)。从中可以看出，纳米流体CHF的增长随浓度增大而增大。对于Ra=177.5nm的表面，浓度从0.001%增加到0.05%时，CHF的增幅从121.8%增大到225.1%；然而当浓度从0.05%增加到0.1%时，CHF的增幅从225.1%降至124.8%。对于Ra=292.8nm的表面，CHF变化趋势类似，但提升幅度比Ra=177.5nm表面低。他们认为，纳米颗粒沉积在加热表面上形成了多孔纳米颗粒层，一定程度上能够提升表面润湿性和CHF，但过量的沉积则导致表面润湿性变差和CHF的提升效果降低。

图4 不同粗糙度下CHF强化效果与纳米颗粒浓度关系[18]

图5 CHF和HTC与纳米颗粒浓度关系[19]

黄晓干等[19]制备了质量分数为0.001%、0.005%、0.01%的Al2O3/水纳米流体，分别进行沸腾换热实验研究，得到了CHF和换热系数(HTC)与纳米颗粒浓度的关系曲线(图5)。从中可以看出，纳米流体的CHF较DI water的提高了10%～40%，且提高程度随纳米颗粒浓度的增大而增大。他们认为，纳米颗粒、流体工质、传热壁面之间的相互作用，扰动了流体流动状态，增大了湍流强度，使得气泡不易在壁面形成覆盖，因此，达到临界状态需要的热流密度更高。陈亚凤[20]对纳米颗粒质量分数分别为0.001%、0.005%、0.01%的三种水基γ-Al2O3纳米颗粒的池沸腾传热实验，得到了类似结果：与纯水相比，三种浓度的纳米流体的CHF分别增加了19.06%、41.19%、100.90%。程玮[21]对体积分数为2%和5%的Al2O3/水纳米流体进行沸腾传热实验，得到了同样的升高趋势。他们认为，随着纳米流体浓度的增大，纳米颗粒间间距越小，使得纳米颗粒间的热传导、纳米颗粒与流体之间的微对流作用增强，从而导致纳米流体HTC增大，CHF提高。

综上所述，纳米流体浓度对沸腾传热CHF的影响存在多种情况：在低浓度范围内增大纳米流体浓度能够强化换热，提高CHF；但随着纳米流体浓度不断提高，纳米颗粒在换热表面沉积，CHF保持基本不变；过量沉积甚至会导致CHF降低。

2 通道尺寸和粗糙度的影响

2.1 通道尺寸的影响

在研究纳米流体沸腾特性的实验中，实验段采用的通道主要有圆管和矩形槽道两种，下面将对这两种通道分别讨论。

Wojtan等[22]以R134a为实验对象，在直径为0.5和0.8mm的圆形通道内进行沸腾传热实验，发现在相同的质量流速下，0.8mm圆管内流动沸腾的CHF始终大于0.5mm圆管内的，表明CHF与流道尺寸相关(图6)。王云等[23]在长度为600mm、内径分别为6mm和8mm的圆管实验段内，开展加热内径对Al2O3/水纳米流体流动沸腾CHF的影响研究，得到了与Wojtan等人[22]类似的结论。

图6 不同直径圆管内纳米流体沸腾传热CHF[22]

罗小平团队[21，24-28]进行了一系列矩形微槽道内纳米流体饱和沸腾的实验研究，通过控制槽长、槽深，改变槽宽，探究尺寸对于CHF的影响(表1)。

表1 槽道尺寸对纳米流体沸腾传热CHF影响

程炜[21]、唐扬[24]、罗小平[28]等在0.6×2mm2、1×2mm2、2×2mm2三种尺寸的微槽道内进行了纳米流体流动沸腾实验，结果见图7。由图可知，在同一质量流速下，CHF随槽道尺寸增大而增大，但增长速率随着尺寸增大而变小。他们认为，槽道尺寸较小时，传热效率较高，这样达到临界状况所需的热流量就较小，因此，槽道尺寸增大，CHF也增大。

图7 不同宽度矩形槽道内纳米流体沸腾传热CHF[28]

陈朗[25]在0.3×2mm2、0.6×2mm2、0.9×2mm2三种尺寸的微槽道内进行了纳米流体沸腾换热实验，结果与程炜[21]、唐扬[24]等类似，但质量流速较小时，CHF受槽道尺寸的影响并不是很大，在质量流速较大时，CHF的增大更为明显。他们认为，槽道尺寸影响CHF原因可以归结为气泡和流型的变化，大的槽道尺寸可以允许大直径气泡产生并具有较高的自由度，通道内干涸处也可以得到液体的及时补充，不易聚集在壁面以至于形成气膜，阻碍传热的进行。张瑞达[26]在0.2×2mm2、0.7×2mm2、1×2mm2三种尺寸的微槽内进行了实验，得到了与陈朗[25]类似的结论。

钟艳[27]在三种不同的槽道内开展了纳米流体沸腾传热实验，探究在相同热流密度和质量流速条件下槽道尺寸与传热系数的关系，发现槽道尺寸越小，流动沸腾传热系数越大。

由上可知，槽道尺寸越小，液体在槽道内越易干涸，也越易出现临界热流现象，因而CHF越小。这是因为，流道尺寸的改变会引起纳米流体流动沸腾时产生的气泡尺寸发生变化，进而影响传热。

2.2 通道粗糙度的影响

Ham等[18]实验研究了Ra为177.5nm和292.8nm的Al2O3/水纳米流体池沸腾传热特性，结果表明，Ra=177.5nm表面的CHF提升程度最高可达225%，优于Ra=292.8nm的138.5%。

Cao等[29]在电化学沉积制备的微孔表面上实验研究了NOVEC-649的池沸腾性能，得到了粗糙度不同的电化学沉积表面(ECDS)上的CHF(图8)。由图可知，ECDS-0.1M、ECDS-0.2M、ECDS-0.3M和ECDS-0.4M上的CHF分别为24.44W/cm2、26.31W/cm2、26.84W/cm2和26.84W/cm2，而在光滑表面(SS)上的CHF为17.33W/cm2，CHF的提升最高达55%。

图8 不同表面池沸腾CHF[29]

Manetti等[30]用光滑壁面(Ra=0.05um)和粗糙壁面(Ra=0.23um)进行了低浓度的Al2O3/水纳米流体池沸腾实验，结果表明，对比DI water，在光滑表面和粗糙表面，纳米流体传热换热系数分别增加了75%和15%。实验分析揭示，光滑表面更易受纳米颗粒沉积的影响，使得换热系数增加更多。

罗小平等[31]分别以DI water和质量分数0.3%的Al2O3/水纳米流体为实验工质，研究它们在平均灰度粗糙度δN(对采集的图像用MATLAB进行处理得到RGB图像，以幅度参数均方根偏差δN来表征微细通道的壁面粗糙程度)分别为25.3、38.7、51.2的3种矩形微通道内流动沸腾的CHF。结果如图9所示，DI water和纳米流体的CHF随着粗糙度的减小都会有较明显的降低。他们认为：当壁面粗糙度减小时，纳米颗粒对壁面的撞击减弱，造成的紊流作用减小，导致换热性能变差，CHF变小；此外0.3%纳米流体的CHF相比DI water因粗糙度的减小而更明显的减小。原因在于，少量纳米颗粒的沉降使壁面亲水性增强进一步使微细通道壁面粗糙度增大。

周建阳等[32]运用化学抛光技术改变微型换热器换热管道表面粗糙度，采用低浓度Al2O3/R141b纳米流体作为实验工质研究其在不同工况下的流动沸腾CHF，实验结果发现，纳米流体的CHF随粗糙度的减小而减弱，粗糙度减小80.4%，换热性能减弱22.5%。

由此可见，流道粗糙度的变化会对CHF产生影响。纳米颗粒在光滑壁面上的撞击强度减弱，造成的紊流强度小，导致CHF有所降低。

图9 壁面粗糙度对纳米流体沸腾传热CHF影响[31]

3 其他因素对的影响研究

除了上述纳米流体和通道的基本特性外，还有一些因素影响纳米流体沸腾传热CHF。

Quan等[3]认为在池沸腾过程中，润湿性较好的表面纳米颗粒被吸附在汽液界面，液体不易排出，气泡的聚集被抑制，气泡尺寸减小，导致CHF急剧增加。

Wang等[34]根据经验研究了工作压力对过冷Al2O3/水纳米流体流动的CHF影响，得到结论：工作压力在400～800kPa范围内升高时，CHF能够提高，主要是由饱和温度的升高引起。

Shen等[35]研究了超声波对Al2O3/水纳米流体沸腾传热的影响，得到了热流密度随铂丝温度与纳米流体温度之差的变化曲线(图10)。从中可以看出，超声波的使用使得CHF降低，并且使用超声波的沸腾曲线在未使用超声波的左侧。他们分析，超声波影响纳米颗粒的沉积，进而影响CHF。

图10 超声波对纳米流体沸腾传热CHF影响[35]

Sheikhbahai等[36]研究了外加电场下Fe3O4/乙二醇-水纳米流体在水平薄镍铬丝上的核态沸腾。结果表明，电场提高了纳米流体核态沸腾的HTC，但对CHF几乎没有影响。他们认为，CHF增强主要原因是在加热器表面形成多孔层，而多孔层沉积不受电场影响，因此CHF不受外加电场影响。

Goshayeshi等[37]研究了磁场作用下Fe2O3/煤油纳米流体在倾斜角为0°～90°的铜闭环振荡热管内的传热特性。结果表明，倾斜角从0°到75°，传热性能得到改善，但是在75°和90°之间，传热性能恶化，因为更快的冷凝液体返回会改变蒸发单元的功能。Dadjoo等[38]利用SiO2纳米流体溶液，研究流向对换热系数和CHF的影响，发现流向从0°到90°，CHF增高而HTC降低。这是由于聚结气泡和蒸汽膜的形成，增加了传热阻力，使得HTC降低，而纳米流体颗粒沉积会使表面润湿性和CHF提高。

Zhang等[39]利用KC-135和B-727飞机的抛物飞行，对微重力、常重力和1.8g过载下FC-72在5.0×2.5mm2矩形狭缝内的流动沸腾CHF进行了实验研究。结果表明：低流速时，CHF对重力较为敏感，微重力下的CHF比常重力下的小，且CHF之间的差别随流速的增加而减小；低流速和过载时，由于浮力作用较大，气泡在聚合之前就脱离壁面，气泡行为与常重力下的池沸腾类似；高过冷和过载时，由于冷凝作用，气泡迅速减小。

4 结语

(1)纳米流体沸腾传热CHF的研究大都以实验方法为主，结果表明，纳米流体确实能够在一定程度上强化沸腾传热CHF，不过相关的强化机理仍需进一步研究。

(2)通常纳米颗粒浓度的增大会使纳米颗粒、流体工质和传热壁面的相互作用增强、扰动增大，使传热壁面不易被气泡覆盖，因而可以有效提高CHF。但是，纳米颗粒浓度过高可能会引起沉积现象发生，导致CHF的提高存在限制。

(3)纳米流体流动通道的尺寸越小，越不利于大气泡的生成脱离，壁面被气膜覆盖发生局部干涸现象，很快达到CHF。同时尺度的减小会放大微通道内粗糙度带来的影响，纳米颗粒对光滑壁面的撞击减弱，造成的紊流作用减小，导致换热性能变差，CHF也变小。然而，纳米流体的强化效果并非单因素的作用，增大粗糙度虽然能够增强扰动效果，但也可能会导致纳米颗粒沉积在传热壁面形成纳米膜，阻碍换热。

(4)壁面倾斜角、壁面润湿性、工作压力、外场(电场、磁场、重力场、超声波)等潜在的影响因素正逐渐引起研究人员的关注。

(5)为了更加深入的揭示纳米流体沸腾传热的强化机理，除了实验方法以外，还可以结合仿真模拟的方法对传热细节进行分析，并探究纳米流体在机载(超重力)环境下的沸腾换热CHF，丰富纳米流体沸腾传热研究的内容和理论，为机载冷却系统的设计和运行提供支撑。