1 绪论
1.1 纳米流体
纳米流体是指按照一定比例，在液体中添加纳米级金属、金属氧化物或非金属颗粒（尺寸在 1-100nm 范围内）形成的一类具有新型传热冷却性质的均匀、稳定、高导热的固体颗粒悬浮液。纳米流体中添加的纳米材料大致分为以下几种类型[1-2]：（1）金属纳米粒子（Cu、Al、Fe、Au、Ag）；（2）非金属纳米粒子(Al2O3、CuO、Fe3O4、TiO2、SiC)；(3)碳纳米管；(4) 纳米液滴。常见的基液的选择有乙醇、柴油、苯、丙酮、乙二醇、水等。纳米流体具有优良的传热、传质和光学特性[3]，因此在制冷、吸收、传热、润滑等领域中广泛使用，如吸收式制冷设备、氨、溴化锂溶液制冷设备、冷冻机油、制冷剂、热交换设备、热油、机械和设备润滑剂等。纳米流体的特殊性质可解决诸如原始工程流体的低导热性、差的吸收性能、传热性能、耐磨性等问题，以减少例如设备尺寸、热量和传质效率、设备磨损，经济损失等一系列问题。纳米流体的优良性能本质上是其较好的能量传递及储能特性的体现。1.1.1 纳米流体的能量传递液体中添加金属、非金属或聚合物固体颗粒，能够改变液体本身的物性参数，强化液体导热性能，在改善液体内部能量传递方式的基础上，使液体在原基液导热系数的基础上得到显著的提高。当采用毫米或者微米量级的固体颗粒时，由于粒子尺寸相对较大，粒子之间的摩擦比较明显，进而流体流动中的阻力大幅度提高，管道磨损严重，并不利于形成良好的传热机制，因此导致其应用的局限性。随着纳米流体的出现，为流体传热传质以及机械设备制造等领域的发展带来了新的契机，纳米流体优良的导热、换热性能以及相应粘度的优势，有望解决设备磨损、导热系数低等一列问题。因为在基液中加入纳米级别的固体颗粒形成的粒子悬浮液，本身就是一种新型的强化流体传热的方法。纳米流体是纳米颗粒和基液的组合流体。作为分散相的纳米颗粒与作为分散介质的基液之间的相互作用，形成了具有较好传热传质特性的悬浮液。为了提高纳米粒子的悬浮性能，促进纳米颗粒与基液流体之间的相互作用以及颗粒相对颗粒的影响，因此，可加入适量合适的的分散剂。常见的分散剂有具有阳离子属性的十六烷基三甲基溴化铵（CTAB）、苯扎铵氯化物、西曲氯铵等表面活性剂，以及具有阴离子属性的二硬脂基十二烷基苯磺酸钠、十二烷基钠硫酸盐、十二烷基硫酸铵等表面活性剂[2]。作为一个相对复杂的多相系统，纳米流体中粒子与粒子之间、粒子与相应的基液之间的相互作用较为复杂，尤其是纳米粒子不仅受到相间阻力、摩擦力、重力、浮力等力的作用，同时具有较好的尺寸优势，导致粒子之间相对明显的范德华引力与布朗力的作用得以凸显，从而获得良好的导热机制。
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1.2 纳米流体的能量储存特性
利用纯净的活性纳米颗粒或活性纳米颗粒的悬浮液都可以作为潜在的能量载体。这一概念包含三个主要部分：纳米燃料的制备、转运和利用。纳米颗粒可以由一次可再生的金属或者氧化物由加工生产可得，然后再进行转运，并在运输、储存的过程中会发生能量的损失，进而再经过燃烧或者氧化将热能、电能等进行释放。纳米燃料能量流动和物质循环见图 1-3 和图 1-4[18]。近些年来，研究人员提出采用混合动力车和全电驱动车的方案，相对于采用纯氢动能的机车更具有可性，也更加可靠[21]。对于混合动力和全电驱动汽车，充电时间的长短必须作为一个考量的因素，相对而言有限的充电量以及有限的贵金属的产量都是混合动力和全电驱动的关键限制因素，均不利于上述能源方案的实施。在能源如此紧缺的情况下，寻找并选择一种新型、可行、高储能的能量载体显得十分重要。在纳米流体的基础上，发现纳米流体形式的燃料是一个极有研究价值的方向。对于纳米流体的使用不仅仅局限在微电子、制冷、吸收、传热、润滑等相关领域。至此，纳米流体燃料作为一种新型的储能物质逐渐成为重要的研究方向之一。液体纳米燃料类似固态纳米燃料，能量释放率很高。纳米颗粒的添加使基液燃料获得更好的能量传递性能，增强基液燃料的传热和传质过程，并能改善燃烧效率。通常认为基液燃料和纳米金属粒子组成的纳米流体燃料其燃烧是两者燃烧性能的加和，当基液为惰性流体时，其燃烧仅仅是纳米金属粒子的燃烧性能的体现。然而事实并非如此，随着研究的不断发展，研究人员发现随着纳米金属颗粒的加入，其燃烧过程将会产生类似于“微型炸弹”的局部效应，而这种局部效应会漫延到整个的燃烧机体，不断的出现和扩展，显著地增强局部湍流，促进完全燃烧[22]。
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2 纳米流体燃料液滴的形成及脱落机理
2.1 引言
纳米流体燃料基本燃烧模式以液滴燃烧为主，因此纳米流体燃料液滴的形成和脱落是研究其燃烧特性的重要前提之一。液滴形成及脱落过程不但被外界环境影响，还局限于流体自身性质的差异。在常用直管平口喷嘴或毛细管末端，液滴的形成和脱落大致分为两个阶段：（1）液滴在毛细管末端的体积逐渐增大，达到临界体积时之前处于悬挂状态；（2）液滴达到临界体积后产生不稳定性运动，缩颈、脱落、产生竖直滴落并伴有“卫星”液滴。本章节通过研究液滴在毛细管末端的形成和脱落的过程，阐述了低速圆柱液体破碎的稳定性理论，给出纳米流体燃料液滴形成与脱落的机理，以及纳米流体燃料物性参数对其液滴形成与脱落的影响。
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2.2 液滴形成和脱落过程
根据（2）以及实验分析结果图 2-2，以“液滴质量测量法”测定表面张力。在特定条件下多次测量滴落下来的液珠质量，分析得液体的表面张力。同时，从实验结果图 2-2 可以看出，当 R0/a 远远小于 1 的时候，即毛细管足够短，孔径相对较大的时候，液滴呈现完好的球形。当 R0/a 的值增加，液滴的形状在球形的基础上，由毛细管内的推力及重力的作用下拉长、变形。纳米流体燃料能够显著的增加液体本身的导热系数，有两个原因：（1）固体粒子本身导热系数远远大于液体的导热系数，固态颗粒的加入，改变基液本身的内部结构，改变了其能量传递的方式和过程，使导热系数增大。（2）流体悬浮液的纳米粒子尺寸量级达到纳米级别，小尺寸效应加剧粒子无规则的运动，热扩散现象增强，同时，在流体内部的纳米粒子相对于基液的微对流加剧，强化能量交换和质量传递，增大导热系数，提升导热性能。同时纳米粒子的本身携带的能量在无规则运动的过程完成了迁移，这部分能量迁移更有利于增大导热性能，提高传热能力。
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3 纳米流体燃料的制备及物性参数测试..........21
3.1 引言........21
3.2 纳米流体制备方法.........21
3.3 纳米流体燃料的制备....22
3.3.1 纳米铝燃料颗粒...........22
3.3.2 乙醇和柴油基液燃料...........24
3.4 含铝纳米流体燃料的制备.....25
3.5 纳米流体燃料的物性参数....26
3.5.1 密度......26
3.5.2 纳米流体燃料的表面张力...........26
3.6 本章小结.........27
4 纳米流体燃料液滴的形成和脱落实验系统装置...........28
4.1 引言.........28
4.2 实验系统装置........28
4.3 本章小结........32
5 乙醇-铝纳米流体燃料液滴的形成和脱落实验研究......33
5.1 引言........33
5.2 纳米流体燃料液滴的形成和脱落过程.........33
5.3 流体流动速度对液滴形成和脱落的影响....39
5.4 粒子载荷率对液滴形成和脱落的影响........40
5.5 毛细管管径对液滴形成和脱落的影响........41
5.6 本章小结.........42
5 乙醇-铝纳米流体燃料液滴的形成和脱落实验研究
5.1 引言
针对纳米流体燃料液滴形成和脱落中的基本问题，本章节提出采用微泵推动纳米铝-乙醇纳米流体燃料在毛细管末端形成液滴，利用高速摄像仪捕捉液滴形成和脱落过程，采用数字图象处理方法提取特征参数，分析毛细管内流体流动速度、纳米流体燃料粒子载荷率、毛细管管径等对形成的主液滴的时间、形状、大小、颈部位置和尺寸、液滴高度、脱落表面波幅值和“卫星”液滴等的影响。纳米铝-乙醇纳米流体燃料的形成和脱落特性研究在第 4 章的实验系统装置图（4-1）上进行，实验条件为自然对流，空气温度为 298K，压力为 0.1MPa。图 5-1 为典型的纳米铝-乙醇纳米流体燃料，在毛细管末端的液滴形成中的缩颈和脱落过程。纳米流体粒子载荷率为 5.0mg/ml，毛细管内径 300μm、外径 500μm，毛细管内的流速约为 3.93μm/s。纳米铝-乙醇纳米流体燃料在微泵的推动下，通过软管逐渐从毛细管末端流出，最初在末端形成圆柱状。随着纳米铝-乙醇流体燃料不断注入液滴，液滴的体积加大，液滴高度逐渐增加，燃料注入液滴的速度与毛细管内速度相同。在毛细管末端首先形成稳定的保龄球状（图 5-1(a)）。此时悬挂液滴的颈部直径与毛细管外径相同，表明流体润湿了毛细管底部壁面。液滴处于惯性力、重力、表面张力、粘性力作用下的相对平衡状态。随着流体不断注入，液滴重力增大，液滴与毛细管之间出现颈状的液桥（图 5-1 (b)），流体通过液桥进入下端的液滴。液滴不断降低，颈部液桥直径逐渐减小（图 5-1 (c) ~ (f)），最小颈部位置向下移动直至液桥第一次断裂（图 5-1 (g)），断裂位置靠近脱落的主液滴。颈部液桥断裂时，主液滴发生振荡。而与毛细管末端相连的颈部液桥底部，微泵依然连续地通过颈部液桥注入流体，因此底部的微小液滴逐渐增大（图 5-1 (h)），最后导致液桥发生第二次断裂（图 5-1(i)），断裂位置靠近毛细管末端。第二次断裂后的上部分流体继续收缩至毛细管末端，为下一滴液滴的形成做准备。而下部分颈部液桥收缩为一颗球形液滴，即“卫星”液滴（图 5-1(j)）。
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结论
相比于其它燃料，纳米流体燃料是在液体燃料的基础上加入纳米颗粒，从而获得优于纯的液体燃料的显著的物理、化学性能。在纳米流体燃料中添加高能的纳米颗粒，能够提高燃料的能量密度，使燃料具有较高的能量释放率。在纳米流体燃料中，固体纳米颗粒由于极小的颗粒尺寸，显著地增强颗粒在流体内部的布朗运动，使纳米流体获得比纯的液体燃料更好的导热性能，同时基于流体燃料内部结构的变化，导致纳米流体燃料内部的质量传递和能量传递过程发生改变，纳米颗粒在流体内部的微对流运动也改变了液体燃料的物性参数。通过研究，本文获得以下结果：
（1）研究低速圆柱液体破碎稳定性理论，给出圆柱液体在低速情况下，液滴形成与脱落的基本过程和阶段，同时建立了液滴在微管末端破碎与脱落的控制方程，给出在纳米流体燃料的基础上，纳米流体重要物性参数的变化及其模型，得出液滴形成与脱落过程中经历由滴状、过渡态到射流的变化过程。低速圆柱液体破碎的过程中，由于液体与空气之间的相互作用，液体表面波的增长最终导致液体的破碎。
（2）研究了纳米流体的制备方法，分析得出选用不同制备方法的依据，研究纳米铝颗粒的表征参数，并在制备方法的指导下，制备了不同浓度的纳米铝-柴油纳米流体燃料、纳米铝-乙醇纳米流体燃料。并通过测试获得纳米铝-柴油纳米流体燃料、纳米铝-乙醇纳米流体燃料的密度和表面张力。
（3）在纳米铝-柴油纳米流体燃料、纳米铝-乙醇纳米流体燃料的基础上，通过数字图像采集与分析系统，采集液体形成与脱落过程中的关键特征参数，得出结论，在液滴的形成与脱落过程中，包括液滴形成与液滴的脱落两个阶段，球冠、半球和保龄球状的增长，颈部液桥形成、拉伸和多次断裂，以及底部主液滴下落、中部“卫星”液滴形成和上端流体收缩；在低速液滴的形成中出现典型的回润现象。
（4）液滴形成与脱落的过程中，主液滴和“卫星”液滴的形成和脱落主要取决于圆柱流体表面波增长率，而当流体参数和环境条件改变时，表面波增长率发生显著变化。
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参考文献（略）