聲懸浮條件下氧化石墨烯納米流體的過(guò)冷及成核特性研究.pdf

1、在冰蓄冷技術(shù)領(lǐng)域,納米流體材料可以彌補(bǔ)大多數(shù)蓄冷材料相變過(guò)冷度較大和不易發(fā)生相變的缺陷,因此吸引了大量學(xué)者對(duì)其過(guò)冷特性進(jìn)行研究,但都是在有容器接觸前提下實(shí)行的。由于流體具有流動(dòng)性,其形狀必然受到與之接觸容器的影響,這種固-液界面的存在會(huì)給流體熱物性的研究帶來(lái)誤差;對(duì)于過(guò)冷實(shí)驗(yàn)研究,容器壁的接觸會(huì)誘發(fā)異質(zhì)形核,影響納米流體的相變過(guò)程,從而無(wú)法獲得納米流體真實(shí)的過(guò)冷特性。因此,為了排除容器壁面接觸對(duì)成核結(jié)晶的影響,本文采用聲懸浮無(wú)容器處理方

2、法對(duì)氧化石墨烯納米流體進(jìn)行過(guò)冷度的研究。主要的研究?jī)?nèi)容及結(jié)果如下:
　　(1)實(shí)驗(yàn)測(cè)量了容器內(nèi)5種不同濃度的氧化石墨烯納米流體的過(guò)冷度,并與去離子水過(guò)冷度進(jìn)行對(duì)比,發(fā)現(xiàn)各種濃度的納米流體過(guò)冷度均受到了極大抑制,最大降低了62.9％,成核時(shí)間也大大縮短。研究了不同冷卻溫度對(duì)容器內(nèi)納米流體過(guò)冷度的影響,得出冷卻溫度越低,即冷卻速率越大,過(guò)冷度就越大。
　　(2)建立了氧化石墨烯納米薄片單層和多層(n層)的物理模型,采用非均勻成核

3、理論計(jì)算了氧化石墨烯納米薄片上的成核條件,并借助測(cè)量的納米薄片的粒徑分布和過(guò)冷度實(shí)驗(yàn)結(jié)果證實(shí)了氧化石墨烯納米薄片可以作為表面異質(zhì)成核的基底,有利于成核結(jié)晶。另外,利用楊氏(T.Young)方程和Good-Girifalco理論,經(jīng)過(guò)計(jì)算得出納米粒子屬于高表面能固體,其表面發(fā)生異質(zhì)成核時(shí)所需的成核功較低;同時(shí)氧化石墨烯本身良好的表面活性和潤(rùn)濕性能也有利于降低成核功。
　　(3)實(shí)驗(yàn)研究了聲懸浮條件下去離子水滴的過(guò)冷度分布,得出其平均

4、過(guò)冷度隨著冷卻速率增大而升高。與容器內(nèi)去離子水過(guò)冷度進(jìn)行了對(duì)比分析,認(rèn)為聲懸浮方法可以有效避免容器壁面接觸對(duì)成核結(jié)晶的影響,引入的聲場(chǎng)會(huì)誘發(fā)表面的異質(zhì)成核,從而抑制去離子水滴的過(guò)冷度。
　　(4)在聲懸浮條件下研究了氧化石墨烯納米流體的過(guò)冷度分布,得出其平均過(guò)冷度也隨冷卻速率增大而升高,在發(fā)生器功率值為24W時(shí),對(duì)比去離子水滴平均過(guò)冷度,最大降低了62％。為了分析超聲空化效應(yīng)和納米粒子對(duì)液滴成核結(jié)晶的共同影響,①計(jì)算了氣泡瞬態(tài)崩潰

5、時(shí)的高溫高壓值,在109Pa數(shù)量級(jí)高壓下會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈沖擊波或高速射流,從而增大納米粒子表面能,提高潤(rùn)濕性;②根據(jù)Clapeyron-Clausius方程估算了高壓可產(chǎn)生的局部過(guò)冷度,均遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于實(shí)驗(yàn)測(cè)量的過(guò)冷度,增加了成核結(jié)晶的驅(qū)動(dòng)力;③分析認(rèn)為液滴表面帶有氣泡間隙的納米粒子或粒子團(tuán)可形成空化核,在去離子水基礎(chǔ)上增加空化核的數(shù)量,進(jìn)一步強(qiáng)化空化作用,同時(shí)帶有高能量的粒子會(huì)提供額外的成核功;這些均有利于過(guò)冷度的降低。
　　(5)實(shí)驗(yàn)研究

6、了聲壓幅值對(duì)納米流體液滴過(guò)冷度的影響,結(jié)果表明聲壓幅值越大,液滴形變?cè)矫黠@,過(guò)冷度也越低。同時(shí),對(duì)比容器內(nèi)相同濃度納米流體的過(guò)冷度,發(fā)現(xiàn)聲場(chǎng)作用要達(dá)到一定強(qiáng)度才能使液滴過(guò)冷度低于容器內(nèi)流體過(guò)冷度,即抑制效果更佳。根據(jù)Crum理論分析,聲壓幅值增大,則可能發(fā)生空化作用的氣泡數(shù)量就會(huì)增多,即異質(zhì)成核點(diǎn)增多,空化作用就越易發(fā)生,而且程度越劇烈,對(duì)納米流體液滴過(guò)冷度的抑制效果就越顯著。
　　本文的研究結(jié)果表明氧化石墨烯納米薄片可以作為降低