Теплопроводность и вязкость наножидкостей тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.14, кандидат наук Морозова Марина Анатольевна

• Морозова Марина Анатольевна
• кандидат наук
• 2019

Оглавление диссертации кандидат наук Морозова Марина Анатольевна

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. Теплопроводность и вязкость суспензий

1.1. Общая характеристика наножидкостей

1.2. Теоретические подходы для описания теплопроводности суспензий

1.3. Обзор экспериментальных данных, описывающих теплопроводность наножидкостей

1.4. Теоретические подходы для описания вязкости суспензий

1.5. Обзор экспериментальных данных, описывающих вязкость наножидкостей

1.6. Заключение по главе

ГЛАВА 2. Экспериментальные установки и методики измерений

2.1. Синтез и характеризация наночастиц

2.2. Синтез наножидкостей

2.3. Измерение вязкости

2.3.1. Капиллярный метод

2.3.2. Ротационный метод

2.4. Измерение теплопроводности

2.5. Заключение по главе

ГЛАВА 3. Экспериментальные измерения вязкости наножидкостей

3.1. Вязкость наножидкости на основе наночастиц Al2O3 (Degussa)

3.2. Реологические свойства наножидкости на основе наночастиц Al2O3 (Degussa)

3.3. Вязкость наножидкости на основе наночастиц Al2O3 (ИТ СО РАН)

3.4. Заключение по главе

ГЛАВА 4. Теоретический анализ влияния теплового контактного сопротивления Капицы на тепловые свойства наножидкостей

4.1. Теплопроводность наножидкостей

4.1.1. Подход Максвелла

4.1.2. Теплопроводность наножидкостей с учетом теплового сопротивления Капицы

4.1.3. Теплопроводность суспензий на основе сферических частиц в оболочке

4.1.4. Теплопроводность наножидкостей на основе полых частиц

4.2. Теплообмен между сферической частицей и жидкостью с учетом теплового сопротивления Капицы

4.3. Заключение по главе

ГЛАВА 5. Экспериментальные измерения теплопроводности наножидкостей

5.1. Теплопроводность наножидкости на основе наночастиц Al2O3 производства фирмы Degussa

5.2. Теплопроводность наножидкости на основе наночастиц Al2O3 (ИТ СО РАН)

5.3. Теплопроводность наножидкостей на основе воды и одностенных углеродных нанотруб

5.4. Заключение по главе

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Список литературы

95

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Теплопроводность и вязкость наножидкостей»

ВВЕДЕНИЕ

С развитием высокоэнергичных технологий и ростом мощности электронных устройств возникает необходимость создания эффективных охлаждающих систем и управления большими тепловыми потоками. Один из способов провести интенсификацию теплообмена - улучшить теплофизические характеристики теплоносителя. Этого можно добиться, повысив теплопроводность жидкости путём добавления твёрдых частиц с высокой теплопроводностью. При этом наряду с теплопроводностью изменяются и другие теплофизические свойства жидкости. Важной характеристикой при использовании проточных систем охлаждения является вязкость.

Особый интерес при создании таких систем представляют наножидкости. В отличие от частиц микронного размера наночастицы медленнее осаждаются в жидкости и не приводят к засорению и износу каналов. Возможность их использования при создании эффективных материалов для отвода избыточного тепла в охлаждающих системах является одной из основных причин проведения многочисленных исследований в лабораториях по всему миру.

Целью настоящей работы является исследование вязкости и теплопроводности наножидкостей, в том числе исследование влияния теплового контактного сопротивления Капицы на процессы теплопереноса в наножидкостях.

Для достижения данной цели необходимо было решить следующие задачи:

1. Экспериментально исследовать теплопроводность и вязкость наножидкостей.

2. Провести теоретический анализ влияния эффекта Капицы на тепловые процессы в наножидкостях.

Научная новизна:

1. Экспериментально обнаружено, что зависимость теплопроводности наножидкостей на основе 10 нм частиц оксида алюминия лежит ниже значений, которые предсказывает теория Максвелла. Эксперименты проведены для трех базовых жидкостей: воды, этиленгликоля и изопропилового спирта.

2. Впервые предложен механизм для описания теплопроводности наножидкостей, связанный с уменьшением потоков тепла на границе частица -жидкость вследствие температурного скачка Капицы.

3. Впервые аналитически решена задача о теплопроводности суспензий на основе сферических частиц в оболочке. Также аналитически решены две задачи, связанные с теплообменом между сферической частицей и жидкостью с учетом теплового сопротивления Капицы с различными граничными условиями. Анализ показал, что определяющим параметром процессов теплообмена в наножидкостях является безразмерный, параметр, включающий в себя размер частицы, теплопроводность базовой жидкости и величину контактного сопротивления между жидкостью и материалом частицы.

4. Экспериментально зарегистрировано уменьшение вязкости наножидкости на основе смеси 90% этиленгликоля и 10% воды и наночастиц А1203 с увеличением скорости сдвига. Обнаружено, что эффект увеличивается с ростом объёмной концентрации наночастиц.

5. Результаты совместного исследования вязкости и теплопроводности показали, что применение исследованных в настоящей работе наножидкостей в качестве эффективного теплоносителя не является перспективным. Причина состоит в существенно более сильном возрастании вязкости наножидкостей по сравнению с их теплопроводностью при увеличении объемного содержания наночастиц.

Теоретическая и практическая значимость

Исследованные в настоящей работе наножидкости не могут быть использованы в качестве эффективных теплоносителей.

Решения тепловых задач и предложенный критерий подобия могут быть использованы для описания тепловых процессов в наножидкостях и интерпретации экспериментальных исследований других наножидкостей.

Результаты теоретического и экспериментального исследования влияния контактного теплового сопротивления Капицы на теплопроводность наножидкостей могут быть использованы для исследования других

наножидкостей, имеющих перспективу использования в качестве эффективных теплоносителей.

Основные положения, выносимые на защиту

Результаты исследования теплопроводности, вязкости и реологических свойств наножидкостей.

Решения задач о теплопроводности наножидкостей на основе сферических частиц покрытых оболочкой и о теплообмене между сферической частицей и внешней средой с учетом теплового контактного сопротивления Капицы.

Обоснование нового критерия подобия, характеризующего вклад теплового контактного сопротивления Капицы при описании тепловых процессов в наножидкостях.

Достоверность полученных результатов обеспечивается использованием современных апробированных методов измерений, проведением калибровочных измерений, анализом погрешностей и воспроизводимостью полученных экспериментальных результатов.

Личный вклад автора состоял в подготовке и проведении всех представленных в диссертации экспериментов, обработке, анализе и интерпретации результатов, подготовке статей для публикации в рецензируемых журналах и докладов на конференциях. Теоретический анализ был проведен в составе научного коллектива с непосредственным участием автора.

Апробация работы. Основные результаты работы были представлены на международных и всероссийских конференциях: XIV Всероссийская школа-конференция молодых ученых «Актуальные вопросы теплофизики и физической гидрогазодинамики», Новосибирск, 22-25 ноября 2016 г.; Russia-Japan Conference «Advanced Materials: Synthesis, Processing and Properties of Nanostructures», Novosibirsk, Russia, October 30 - November 3, 2016; International Symposium and School for Young Scientists «Interfacial Phenomena And Heat Transfer», Novosibirsk, Russia, 2-4 of March 2016; 17th International Conference «Materials, methods & technologies», Elenite Holiday Village, Bulgaria 7-11 June 2015; XIII Всероссийская школа-конференция молодых ученых «Актуальные вопросы теплофизики и

физической гидрогазодинамики» Новосибирск, 20-23 ноября 2014 г.; 18-ая Всероссийская научная конференция студентов-физиков и молодых учёных, Красноярск, 29 марта - 05 апреля 2012 г.; XLIX Международная научная студенчебская конференция «Студент и научно-технический прогресс», Новосибирск, 16-20 апреля 2011 г.

Публикации. Основные научные результаты по теме диссертации изложены в 7 научных статьях, опубликованных в журналах из списка ВАК.

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав и заключения. Полный объем диссертации составляет 103 страницы с 43 рисунками. Список цитируемой литературы содержит 91 наименований.

ГЛАВА 1. Теплопроводность и вязкость суспензий

1.1. Общая характеристика наножидкостей

Наножидкостью называют двухфазную среду, состоящую из жидкости и равномерно распределенных в ней частиц твердой фазы нанометрового диапазона размеров. Впервые этот термин был введён Choi в Аргоннской национальной лаборатории (США) в 1995 году [1]. Характерной особенностью наножидкостей является значительное изменение теплофизических свойств базовой жидкости даже при небольшой концентрации наночастиц.

Использование наножидкостей в качестве эффективного теплоносителя в настоящее время рассматривается как перспективный метод для создания новых теплоэнергетических установок, установок по транспортировке тепловой энергии, различных МЭМС-систем. В качестве диспергирующей среды в таких наножидкостях могут использоваться распространенные жидкие теплоносители -вода, спирты, машинные масла; в качестве твердых включений - металлические частицы - медь, железо, серебро, золото и неметаллические - CuO, А1203, TiO2, Si02, Fe304, углеродные нанотрубки. Отметим, что в настоящее время также активно развиваются технологии на основе наночастиц из phase-change материалов (этот материал представляет собой вещество с высокой теплотой плавления, которое, плавясь и затвердевая при определенной температуре, способно хранить и высвобождать теплоту фазового перехода [2]).

Создание такого материала как core-shell частицы (частицы, состоящие из ядра и одной или нескольких оболочек) позволило существенно расширить области применения наножидкостей. Особое место наножидкости на основе таких материалов занимают в биологии и медицине, где они применяются в технологиях транспортной доставки лекарств и гипертермии [3-9].

Методы получения наножидкостей можно разделить на две группы -одностадийные и двухстадийные [10,11]. В первом случае в наночастицы получают и распределяют непосредственно в жидкости химическими методами

или методами испарения в жидкости. Во втором случае сначала различными методами получают наночастицы, затем диспергируют их в несущей жидкости при помощи ультразвука или магнитного поля. У каждого метода есть свои преимущества и недостатки, однако практический интерес представляют двухстадийные методы получения, так как их можно реализовать в промышленных масштабах.

Несмотря на многочисленные исследования в течение последних двух десятилетий, многие полученные к настоящему времени экспериментальные данные для теплофизических свойств наножидкостей имеют значительный разброс и зачастую противоречат друг другу. Это объясняется сложностью описания процессов, происходящих в наножидкостях. Например, в ходе эксперимента трудно сказать о степени однородности распределения частиц и количестве слипшихся или осевших частиц. Важно также учитывать реологию наножидкостей, так как большая концентрация частиц, несферическая форма или малый диаметр отдельно или в совокупности могут приводить к переходу от ньютоновского к неньютоновскому поведению жидкости.

Также трудности возникают при теоретическом описании теплофизических свойств наножидкостей. В исследованиях теплопроводности наножидкостей помимо классической теории Максвелла, были предложены теоретические модели, которые учитывают не только зависимость от объемной концентрации наночастиц, но множество других факторов: влияние Броуновского движения наночастиц, их форму, зависимость теплопроводности от температуры, поверхностного заряда и рН системы, вклад контактного теплового сопротивления Капицы и др. Для описания вязкости наножидкостей чаще всего используется теория Бэтчелора, основанная на классической теории вязкости суспензий, предложенной Эйнштейном, но с учётом явлений, возникающих в суспензиях на основе более мелких частиц. Несмотря на то, что наножидкости представляют собой двухфазную систему, изучение которых ведется не один десяток лет, на данный момент нет теории, приемлемо предсказывающей

экспериментальные данные, и не описаны механизмы столь сильного изменения теплофизических свойств наножидкостей.

Устойчивость наножидкостей

Устойчивость дисперсных систем характеризуется постоянством распределения частиц по размерам и концентрации дисперсной фазы. Различают седиментационную устойчивость и агрегативную устойчивость. Для наножидкостей седиментационную устойчивость определяет броуновское движение частиц, которое препятствует их оседанию. Агрегативная устойчивость - устойчивость к коагуляции. В наножидкостях частицы могут сближаться в процессе броуновского движения и необратимо соединяться, образуя агломераты, или скорость агрегации становится значительно больше скорости дезагрегации. Потеря агрегативной устойчивости приводит также к потере седиментационной устойчивости. Чтобы получить агрегативно устойчивую наножидкость на основе лиофобных частиц, чаще всего применяют стабилизаторы (поверхностно-активные вещества).

Двойной электрический слой.

В наножидкостях при контакте двух фаз на границе раздела твёрдой частицы и жидкости возникает двойной электрический слой. Поверхность частицы в зависимости от своей характеристики адсорбирует из жидкости ионы определенного знака. Этот слой ионов, в свою очередь, притягивает к себе ионы противоположного знака. Таким образом, на поверхности частицы образуется двойной слой ионов, называемый двойным электрическим слоем. Различная подвижность анионов и катионов приводит к появлению ненулевого заряда на поверхности частиц. Распределение электрического потенциала вблизи поверхности частицы оказывает большое влияние на устойчивость наножидкостей.

Слой потенциалопределяющих ионов, примыкающих к поверхности, называют адсорбционным или слоем Гельмгольца. Он имеет толщину 5 (рис. 1.1). Второй слой составляют противоионы. Его называют диффузным слоем или

слоем Гуи. Диффузный слой имеет толщину X, которая зависит от свойств системы.

а б

Рис. 1.1 Двойной электрический слой: а) Строение; б) Распределение потенциала на

поверхности частицы.

Электрическая характеристика двойного электрического слоя - потенциал ф. Существует три характеристических потенциала. Первый - потенциал диффузного слоя ф5, соответствующий границе адсорбционного и диффузного слоёв. Второй - потенциал фХ, он меньше чем ф5 в е раз и характеризует толщину диффузного слоя. И третий - электрокинетический потенциал или дзета-потенциал. Являясь частью потенциала диффузного слоя, он соответствует плоскости скольжения, которая образуется в результате того, что при движении дисперсных частиц наиболее удаленная часть диффузного слоя не участвует в движении, а остается неподвижной. Вследствие этого появляется нескомпенсированность поверхностного заряда частицы. Дзета-потенциал описывает электрокинетические явления и является одной из важнейших характеристик двойного электрического слоя.

Распределение зарядов в диффузном электрическом слое изменятся в зависимости от кислотности среды. Когда на поверхности адсорбируются ионы, противоположные по знаку потенциалобразующим, и изменяется рН жидкости, может произойти перезарядка поверхности, и дзета-потенциал меняет знак на

противоположный. Кислотность среды, при которой называется

изоэлектрической точкой.

Согласно теории устойчивости Дерягина-Ландау-Фервея-Овербека (теории ДЛФО) электростатическим отталкиванием диффузных частей двойного электрического слоя обеспечивается стабилизация наножидкостей [12, 13]. При некотором расстоянии между частицами отталкивание диффузных слоев обусловливает наличие дальнего, или вторичного, минимума на потенциальной кривой (рис. 1.2). Несмотря на то, что этот минимум относительно неглубок, он может служить препятствием дальнейшему сближению частиц, притягиваемых силами межмолекулярного взаимодействия. Ближний, или первичный, минимум соответствует прочному сцеплению частиц, при котором энергии теплового движения недостаточно для их разъединения. При сближении на расстояние, отвечающее этому минимуму, частицы объединяются в агрегаты, образование которых ведет к потере системой агрегативной устойчивости. Устойчивость системы к коагуляции определяется высотой энергетического барьера. Таким образом, электрокинетический потенциал характеризует силу отталкивания электрических слоев частиц. Еф

К

Рис. 1.2 Зависимость энергии взаимодействия Е между частицами от расстояния R: 1 - ближний

минимум, 2 - дальний минимум.

На дзета-потенциал, а соответственно и на силы отталкивания, можно повлиять несколькими способами. На поверхность частицы могут адсорбироваться поверхностно-активные вещества, образуя слой, уменьшающий силу притяжения между частицами. Так же распределение электростатического потенциала изменяется в присутствии на поверхности частицы гидроксильных групп, тогда дзета-потенциал поверхности становится отрицательным и большим по модулю. На этих двух механизмах основаны, например, методы стабилизации углеродных наножидкостей [14].

Двойной электрический слой может оказывать значительное влияние на вязкость наножидкостей. При движении частицы в жидкости диффузная часть слоя остается неподвижной и отрывается от частицы, оставляя на поверхности некомпенсированный заряд. Восстановление нейтральности заряда приводит к встречному движению ионов и как следствие торможению течения. Данный эффект увеличения вязкости называют электровязкостным.

Ультразвуковое диспергирование

В процессе приготовления взвеси обрабатываются ультразвуковыми волнами. Ультразвуковое диспергирование позволяет получать высокодисперсные, однородные и химически чистые суспензии. Диспергирование суспензий осуществляется при воздействии ультразвука на агрегаты твердых частиц, связанных между собой силами слипания, спекания или спайности. При ультразвуковом диспергировании суспензий дисперсность продукта увеличивается на несколько порядков по сравнению с механическим измельчением [15].

Пьезоэлектрический осциллятор генерирует ультразвуковые волны с частотой, лежащей в диапазоне от 20 КГц до 1 ГГц. Они создают местные быстро сменяющиеся сжатия и растяжения, формирующие разрывающее усилие, что приводит к диспергированию взвешенных частиц. Но основной вклад даёт явление кавитации. При захлопывании кавитационных полостей местно развиваются очень высокие давления, и образуются ударные волны, под действием которых происходит диспергирование вещества [15]. Этот эффект

вызывает сильные механические разрушающие усилия, способные диспергировать куски слипнувшихся частиц на более мелкие [16].

Процесс диспергирования осуществляется при помощи диспергаторов. Обычно используются диспергаторы встроенного типа - ультразвуковые бани, куда помещаются пробирки с суспензиями, или диспергаторы погружного типа -ультразвуковые щупы, которые погружают во взвесь. В ультразвуковых банях воздействие оказывается на весь объем образца, увеличивая скорость обработки, а при использовании ультразвуковых щупов энергия ультразвуковых колебаний выделяется лишь в малой области вокруг щупа, при этом увеличивается эффективность разбиения. Время обработки в разных работах варьируется от нескольких минут до нескольких часов при мощности ультразвукового диспергатора ~ 100 Вт.

Для предотвращения коагуляции твердых частиц в конце процесса диспергирования суспензий чаще всего в жидкость вводят поверхностно-активное вещество (ПАВ).

Поверхностно-активные вещества

В двухфазной системе в поверхностном слое преимущественно концентрируются компоненты, понижающие поверхностную энергию. Это явление называется адсорбцией. В системах с жидкой дисперсионной средой адсорбционные слои на поверхности частиц могут изменять условия их взаимодействия, что влияет на устойчивость такой системы.

Адсорбционное уравнение Гиббса для плоского межфазного слоя:

= Г,фг,

п(4)

где / - химический потенциал 1-ой фазы. Гг = —— адсорбция, п(() - избыточная по

$

отношению к объемной концентрация на поверхности раздела, Б - площадь поверхности.

Для слабых растворов верно его следствие:

г ___С с!а

' = ЯТ с1С, '

где с1 - концентрация, Т - температура.

Вещества, введение которых в растворитель снижает поверхностное натяжение, называют поверхностно-активными веществами (ПАВ). Из следствия адсорбционного уравнения Гиббса видно, что для таких веществ адсорбция будет положительной, то есть концентрация ПАВ на поверхностном слое выше объёмной концентрации [17].

Способность адсорбироваться на межфазной поверхности определяет стабилизирующее действие ПАВ. Так как адсорбционные слои лиофилизируют (в водных растворах гидрофилизируют) поверхность, то при сближении частиц на достаточно малые расстояния, при которых существенную роль начинают играть силы межмолекулярного притяжения, развиваются силы отталкивания. При этом энергия отталкивания тем больше, чем выше концентрация адсорбтива в межфазном слое [18].

ПАВ имеет предел растворимости (так называемую критическую концентрацию мицеллообразования или ККМ), с достижением которого при добавлении ПАВ в раствор концентрация на границе раздела фаз остается постоянной, но в то же время происходит самоорганизация ПАВ в объёмном растворе (мицеллообразование или агрегация). Для додецилсульфата натрия ККМ составляет ~ 1г на 100мл [19].

Отдельно стоит отметить, что добавление ПАВ в наножидкость может значительно повлиять на её вязкость. Выше уже упоминалось, что ПАВ добавляют, чтобы получить стабильные суспензии на основе лиофобных частиц. Важным фактором, определяющим вязкость суспензий, является толщина прослоек свободной жидкости между частицами. Поверхность частиц с ПАВ связывает меньше жидкости, тем самым увеличивая толщину этих прослоек, и вязкость наножидкостей при добавлении ПАВ уменьшается. Например, частицы угля без ПАВ связывают значительно больше воды в суспензии, чем такие же по дисперсности угольные частицы с ПАВ, сорбированными в процессе механохимической их обработки. То есть ПАВ на поверхности частиц уменьшают

вязкость суспензий и практически предотвращает их загустевание (увеличение вязкости) [20].

1.2. Теоретические подходы для описания теплопроводности суспензий

Для описания теплопроводности наножидкостей в настоящее время предложено множество моделей, однако вопрос точного описания механизма теплопроводности до сих пор не решён. Для описания тепловых свойств суспензий на основе более крупных частиц применяют классическую теорию Максвелла [21]. Данная теория была предложена для суспензий на основе неподвижных сферичеких микро- и макрочастиц малой концентрации. Для наножидкостей существует ряд дополнительных факторов, влияющих на их теплопроводность, что ставит под сомнение возможность применения данной теории для их описания.

Теория Максвелла является классическим описанием теплопроводности суспензий. Максвелл разрешил уравнения Лапласа для полей температуры, пренебрегая взаимодействием между частицами, и предложил модель, которая предсказывает, что эффективная теплопроводность суспензий, содержащих неподвижные сферические частицы, возрастает с увеличением объемной концентрации твердых частиц [21].

В модели Максквелла предполагается, что температурное поле Т описывается известным законом переноса тепла:

дх х '

где Т - температура, t - время, х - температуропроводность, которая определяется как:

к

х =-,

Рср

где к - теплопроводность, р - плотность, ср - теплоемкость.

Выражение для эффективной теплопроводности в этом подходе выражается следующим образом:

КГ = к

/

кр + 2кг - 2ф{кг - кр)

(1.1)

кР + 2к/ + Ф(к/ - кр) где кп$ - эффективная теплопроводность суспензии, kf - теплопроводность жидкости, кр - теплопроводность твердой частицы, ф - объемная доля частиц. Другие подходы дают близкие результаты для малой объемной концентрации. При кр>>к$, выражение (1.1) упрощается:

кп/ = к/

+ 2ф Л 1 -ф

кг (1 + 3ф).

(1.2)

Выражение (1.2) представляет собой верхний предел увеличения теплопроводности, которое дает макроскопическая теория. Отметим, что уже для кр = 10к$ формула (1.2) дает результаты, близкие к формуле (1.1).

Видно, что увеличение теплопроводности смеси должно составлять 3ф даже при бесконечно большой теплопроводности частиц.

Бруггеман предложил модель для суспензий на основе сферических частиц без ограничения объемной концентрации [22]:

ф

г к - к Л

кр кп/ V кр + 2кп/ )

+(1-ф)

г к -к л

кГ кп/ V кг + 2кп/ )

= 0.

При малой объемной концентрации частиц модель Бруггемана совпадает с моделью Максвелла. Далее Гамильтон и Кроссер получили соотношение для суспензий на основе несферических частиц [23]:

кпг = к)

кр + (п - 1)кг -(п - 1)ф(кг - кр ) кр + (п -1)кг + ф(кг -кр)

где п - фактор формы (подставив значение для сферических частиц п = 3, получим соотношение Максвелла). Модель Гамильтона-Кроссера является наиболее распространенной моделью для сравнения с экспериментальными данными, полученными для теплопроводности наножидкостей. Однако, данная модель, как и предыдущие, не учитывает целый ряд других факторов, влияющих на теплопроводность наножидкостей [24].

Одним из таких факторов является броуновское движение, которому подвержены наночастицы. Броуновское движение наночастиц может оказывать влияние на теплопроводность двумя способами: в результате диффузии наночастиц и в результате интенсификации микроконвекции жидкости, окружающей наночастицы [25]. Первый способ рассмотрен в работе КеЬНшк

[26]. В ней сделаны теоретические оценки временного масштаба данного механизма переноса тепла и показано, что даже для наночастиц порядка 10 нм этот масштаб более чем на два порядка больше характерного времени переноса тепла теплопроводностью в базовой жидкости. На основании этого в работе сделан вывод, что вклад броуновского движения за счёт диффузии наночастиц в общий перенос тепла наножидкостью является пренебрежимо малым. В работе Ы

[27] рассмотрен второй способ влияния броуновского движения на теплопроводность наножидкости. Авторами предложена теоретическая модель основанная на визуализации течения, в которой каждая наночастица в результате взаимодействия с базовой жидкостью совершает локальные периодические движения помимо броуновского. В работе сделан вывод, что в рамках данной модели вклад микроконвекции и смешения за счёт колебания наночастиц в теплопроводность может быть значительным. В работе Shukla [28] была предложена ещё одна модель, учитывающая конвективный теплообмен, вызванный броуновским движением, и форму наночастиц:

^=(1 ~ф) ^уу3

кг п

1 + О*6^3 к

п (Ч) + у

2 к/ Иы

где ¥ - сферичность, Ыы - число Нуссельта.

Для малых объемных концентраций частиц данная модель совпадает с формулой Гамильтона-Кроссера. Однако экспериментальные работы показали, что для обоих способов влияние броуновского движения на теплопроводность сравнительно мало [24].

Отметим и несколько других факторов, на основе которых предложено множество моделей теплопроводности наножидкостей: агломерация наночастиц

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Морозова Марина Анатольевна, 2019 год

Список литературы

1. Chol S. U. S., Estman J. A. Enhancing thermal conductivity of fluids with nanoparticles //ASME-Publications-Fed. - 1995. - Т. 231. - С. 99-106.

2. Hasenohrl T. An Introduction to Phase Change Materials as Heat Storage Mediums //Project Report. - 2009. - Т. 160.

3. Ghosh Chaudhuri R., Paria S. Core/shell nanoparticles: classes, properties, synthesis mechanisms, characterization, and applications //Chemical reviews. -

2011. - Т. 112. - №. 4. - С. 2373-2433.

4. McGill S. L. et al. Magnetically responsive nanoparticles for drug delivery applications using low magnetic field strengths //IEEE transactions on nanobioscience. - 2009. - Т. 8. - №. 1. - С. 33-42.

5. Salgueirino-Maceira V., Correa-Duarte M. A. Increasing the complexity of magnetic core/shell structured nanocomposites for biological applications //Advanced Materials. - 2007. - Т. 19. - №. 23. - С. 4131-4144.

6. Sharifi I., Shokrollahi H., Amiri S. Ferrite-based magnetic nanofluids used in hyperthermia applications //Journal of magnetism and magnetic materials. -

2012. - Т. 324. - №. 6. - С. 903-915.

7. Mahmoudi M. et al. Superparamagnetic iron oxide nanoparticles (SPIONs): development, surface modification and applications in chemotherapy //Advanced drug delivery reviews. - 2011. - Т. 63. - №. 1-2. - С. 24-46.

8. Guchhait A., Rath A. K., Pal A. J. Hybrid Core- Shell Nanoparticles: Photoinduced Electron-Transfer for Charge Separation and Solar Cell Applications //Chemistry of Materials. - 2009. - Т. 21. - №. 21. - С. 5292-5299.

9. Hayes R. et al. Core-shell particles: Preparation, fundamentals and applications in high performance liquid chromatography //Journal of chromatography A. -2014. - Т. 1357. - С. 36-52.

10. Yu W., Xie H. A review on nanofluids: preparation, stability mechanisms, and applications //Journal of nanomaterials. - 2012. - Т. 2012. - С. 1.

11. Ramesh G., Prabhu N. K. Review of thermo-physical properties, wetting and heat transfer characteristics of nanofluids and their applicability in industrial quench heat treatment //Nanoscale research letters. - 2011. - Т. 6. - №. 1. - С. 334.

12. Derjaguin B. V., Landau L. D. Theory of Stability of Highly Charged Lyophobic Sols and Adhesion of Highly Charged Particles in Solutions of Electrolytes //Acta Physicochimica URSS. - 1941. - Т. 14. - С. 633-652.

13.Verwey E. J. W., Overbeek J. T. G. Theory of Stability of Lyophobic Colloids' Elsevier Publishing" Co. - 1948.

14. Yu W. et al. Review and comparison of nanofluid thermal conductivity and heat transfer enhancements //Heat transfer engineering. - 2008. - Т. 29. - №. 5. - С. 432-460.

15. Голямина И. П. Ультразвук //Рипол Классик. - 1979.

16. Kim B. H., Peterson G. P. Effect of morphology of carbon nanotubes on thermal conductivity enhancement of nanofluids //Journal of thermophysics and heat transfer. - 2007. - Т. 21. - №. 3. - С. 451-459.

17. Щукин Е., Перцов А., Амелина Е. Коллоидная химия //М.: Высшая школа.

- 1992.

18. Воюцкий С.С. Курс коллоидной химии. -2-е изд. //М.: Химия. - 1975.

19. Vigolo B. et al. Macroscopic fibers and ribbons of oriented carbon nanotubes //Science. - 2000. - Т. 290. - №. 5495. - С. 1331-1334.

20. Ходаков Г. С. Реология суспензий. Теория фазового течения и ее экспериментальное обоснование //Российский химический журнал. - 2003. -Т. 47. - №. 2. - С. 33-44.

21. Maxwell J. C. A treatise on electricity and magnetism. - Clarendon press, 1881.

- Т. 1.

22. Bruggeman V. D. A. G. Berechnung verschiedener physikalischer Konstanten von heterogenen Substanzen. I. Dielektrizitätskonstanten und Leitfähigkeiten der Mischkörper aus isotropen Substanzen //Annalen der physik. - 1935. - Т. 416. -№. 7. - С. 636-664.

23. Hamilton R. L., Crosser O. K. Thermal conductivity of heterogeneous two-component systems //Industrial & Engineering chemistry fundamentals. - 1962. -Т. 1. - №. 3. - С. 187-191.

24. Дмитриев А. С. Введение в нанотеплофизику //М.: БИНОМ. Лабораториязнаний. - 2015.

25. Terekhov V. I., Kalinina S. V., Lemanov V. V. The mechanism of heat transfer in nanofluids: state of the art (review). Part 1. Synthesis and properties of nanofluids //Thermophysics and Aeromechanics. - 2010. - Т. 17. - №. 1. - С. 114.

26. Keblinski P. et al. Mechanisms of heat flow in suspensions of nano-sized particles (nanofluids) //International journal of heat and mass transfer. - 2002. -Т. 45. - №. 4. - С. 855-863.

27. Li C. H., Peterson G. P. Mixing effect on the enhancement of the effective thermal conductivity of nanoparticle suspensions (nanofluids) //International Journal of Heat and Mass Transfer. - 2007. - Т. 50. - №. 23-24. - С. 4668-4677.

28. Shukla K. N. et al. Effective thermal conductivity of nanofluids-a new model taking into consideration Brownian motion //International Journal of Heat and Mass Transfer. - 2016. - Т. 99. - С. 532-540.

29. Timofeeva E. V. et al. Thermal conductivity and particle agglomeration in alumina nanofluids: experiment and theory //Physical Review E. - 2007. - Т. 76.

- №. 6. - С. 061203.

30. Fan J., Wang L. Effective thermal conductivity of nanofluids: the effects of microstructure //Journal of Physics D: Applied Physics. - 2010. - Т. 43. - №. 16.

- С. 165501.

31. Chen G. Nanoscale Energy Transfer and Conversion //Oxford University Press. -2005.

32. Xu J. et al. A new model for heat conduction of nanofluids based on fractal distributions of nanoparticles //Journal of Physics D: Applied Physics. - 2006. -Т. 39. - №. 20. - С. 4486.

33. Wang B. X., Zhou L. P., Peng X. F. A fractal model for predicting the effective thermal conductivity of liquid with suspension of nanoparticles //International Journal of Heat and Mass Transfer. - 2003. - Т. 46. - №. 14. - С. 2665-2672.

34. Fletcher L. S. Recent developments in contact conductance heat transfer //Journal of Heat Transfer. - 1988. - Т. 110. - №. 4b. - С. 1059-1070.

35. Dmitriev A. S. Fluctuation hydrodynamics, thermophoresis of nanoparticles and heat transfer in nanofluids //ASME 2012 Third International Conference on Micro/Nanoscale Heat and Mass Transfer. - American Society of Mechanical Engineers, 2012. - С. 871-874.

36. Cahill D. G. et al. Nanoscale thermal transport. II. 2003-2012 //Applied physics reviews. - 2014. - Т. 1. - №. 1. - С. 011305.

37. Yu W., Choi S. U. S. The role of interfacial layers in the enhanced thermal conductivity of nanofluids: a renovated Maxwell model //Journal of nanoparticle research. - 2003. - Т. 5. - №. 1-2. - С. 167-171.

38. Yu W. et al. Review and comparison of nanofluid thermal conductivity and heat transfer enhancements //Heat transfer engineering. - 2008. - Т. 29. - №. 5. - С. 432-460.

39. Xue L. et al. Effect of liquid layering at the liquid-solid interface on thermal transport //International Journal of Heat and Mass Transfer. - 2004. - Т. 47. - №. 19-20. - С. 4277-4284.

40. Капица П. Л. Исследование механизма теплопередачи в гелии-II //Журнал экспериментальной и теоретической физики. - 1941. - Т. 11. - №. 1. - С. 1.

41. Халатников И. М. Теория сверхтекучести. - М.: Наука. - 1971.

42. Cahill D. G. et al. Nanoscale thermal transport //Journal of applied physics. -2003. - Т. 93. - №. 2. - С. 793-818.

43. Lyeo H. K., Cahill D. G. Thermal conductance of interfaces between highly dissimilar materials //Physical Review B. - 2006. - Т. 73. - №. 14. - С. 144301.

44. Aubry S. et al. Comparison of theoretical and simulation-based predictions of grain-boundary Kapitza conductance in silicon //Physical Review B. - 2008. - Т. 78. - №. 6. - С. 064112.

45. Nan C. W. et al. Effective thermal conductivity of particulate composites with interfacial thermal resistance //Journal of Applied Physics. - 1997. - T. 81. - №. 10. - C. 6692-6699.

46. Ge Z., Cahill D. G., Braun P. V. Thermal conductance of hydrophilic and hydrophobic interfaces //Physical review letters. - 2006. - T. 96. - №. 18. - C. 186101.

47. Wang X. Q., Mujumdar A. S. Heat transfer characteristics of nanofluids: a review //International journal of thermal sciences. - 2007. - T. 46. - №. 1. - C. 119.

48. Eastman J. A. et al. Anomalously increased effective thermal conductivities of ethylene glycol-based nanofluids containing copper nanoparticles //Applied physics letters. - 2001. - T. 78. - №. 6. - C. 718-720.

49. Lee S. et al. Measuring thermal conductivity of fluids containing oxide nanoparticles //Journal of Heat transfer. - 1999. - T. 121. - №. 2. - C. 280-289.

50. Wang X., Xu X., S. Choi S. U. Thermal conductivity of nanoparticle-fluid mixture //Journal of thermophysics and heat transfer. - 1999. - T. 13. - №. 4. -C. 474-480.

51. Xuan Y., Li Q. Heat transfer enhancement of nanofluids //International Journal of heat and fluid flow. - 2000. - T. 21. - №. 1. - C. 58-64.

52. Das S. K. et al. Temperature dependence of thermal conductivity enhancement for nanofluids //Journal of heat transfer. - 2003. - T. 125. - №. 4. - C. 567-574.

53. Murshed S. M. S., Leong K. C., Yang C. Enhanced thermal conductivity of TiO2—water based nanofluids //International Journal of thermal sciences. - 2005. - T. 44. - №. 4. - C. 367-373.

54. Hong T. K., Yang H. S., Choi C. J. Study of the enhanced thermal conductivity of Fe nanofluids //Journal of Applied Physics. - 2005. - T. 97. - №. 6. - C. 064311.

55. Li C. H., Peterson G. P. Experimental investigation of temperature and volume fraction variations on the effective thermal conductivity of nanoparticle

suspensions (nanofluids) //Journal of Applied Physics. - 2006. - Т. 99. - №. 8. -С. 084314.

56. Eastman J. A. et al. Enhanced thermal conductivity through the development of nanofluids //MRS Online Proceedings Library Archive. - 1996. - Т. 457.

57. Buongiorno J. et al. A benchmark study on the thermal conductivity of nanofluids //Journal of Applied Physics. - 2009. - Т. 106. - №. 9. - С. 094312.

58. Eapen J. et al. Mean-field versus microconvection effects in nanofluid thermal conduction //Physical review letters. - 2007. - Т. 99. - №. 9. - С. 095901.

59. Das S. K. et al. Temperature dependence of thermal conductivity enhancement for nanofluids //Journal of heat transfer. - 2003. - Т. 125. - №. 4. - С. 567-574.

60. You S. M., Kim J. H., Kim K. H. Effect of nanoparticles on critical heat flux of water in pool boiling heat transfer //Applied physics letters. - 2003. - Т. 83. - №. 16. - С. 3374-3376.

61. Milanova D., Kumar R. Role of ions in pool boiling heat transfer of pure and silica nanofluids //Applied Physics Letters. - 2005. - Т. 87. - №. 23. - С. 233107.

62. Murshed S. M. S., Leong K. C., Yang C. Thermophysical and electrokinetic properties of nanofluids-a critical review //Applied Thermal Engineering. - 2008.

- Т. 28. - №. 17-18. - С. 2109-2125.

63. Einstein A. A new determination of molecular dimensions //Annalen der Physik.

- 1906. - №.19. - С. 289-306.

64. Batchelor G. K. Brownian diffusion of particles with hydrodynamic interaction //Journal of Fluid Mechanics. - 1976. - Т. 74. - №. 1. - С. 1-29.

65. Смолуховский М. Теория быстрой коагуляции //Москва. - 1916. - Т. 7.

66. Felderhof B. U. The effect of Brownian motion on the transport properties of a suspension of spherical particles //Physica A: Statistical Mechanics and its Applications. - 1983. - Т. 118. - №. 1-3. - С. 69-78.

67. Nagatani T. Statistical theory of effective viscosity in a random suspension //Journal of the Physical Society of Japan. - 1979. - Т. 47. - №. 1. - С. 320-326.

68. Batchelor G. K., Green J. T. The determination of the bulk stress in a suspension of spherical particles to order c //Journal of Fluid Mechanics. - 1972. - T. 56. -№. 3. - C. 401-427.

69. Bedeaux D., Kapral R., Mazur P. The effective shear viscosity of a uniform suspension of spheres //Physica A: Statistical Mechanics and its Applications. -1977. - T. 88. - №. 1. - C. 88-121.

70. Syzrantsev V. V. et al. The associated layer and viscosity of nanoliquids //Doklady physics. - Pleiades Publishing, 2015. - T. 60. - №. 1. - C. 46-48.

71. Pak B. C., Cho Y. I. Hydrodynamic and heat transfer study of dispersed fluids with submicron metallic oxide particles //Experimental Heat Transfer an International Journal. - 1998. - T. 11. - №. 2. - C. 151-170.

72. Wang X., Xu X., S. Choi S. U. Thermal conductivity of nanoparticle-fluid mixture //Journal of thermophysics and heat transfer. - 1999. - T. 13. - №. 4. -C. 474-480.

73. Namburu P. K. et al. Viscosity of copper oxide nanoparticles dispersed in ethylene glycol and water mixture //Experimental Thermal and Fluid Science. -2007. - T. 32. - №. 2. - C. 397-402.

74. Namburu P. K. et al. Experimental investigation of viscosity and specific heat of silicon dioxide nanofluids //Micro & Nano Letters. - 2007. - T. 2. - №. 3. - C. 67-71.

75. Kulkarni D. P., Das D. K., Vajjha R. S. Application of nanofluids in heating buildings and reducing pollution //Applied Energy. - 2009. - T. 86. - №. 12. - C. 2566-2573.

76. He Y. et al. Heat transfer and flow behaviour of aqueous suspensions of TiO2 nanoparticles (nanofluids) flowing upward through a vertical pipe //International journal of heat and mass transfer. - 2007. - T. 50. - №. 11-12. - C. 2272-2281.

77. Nguyen C. T. et al. Temperature and particle-size dependent viscosity data for water-based nanofluids-hysteresis phenomenon //International Journal of Heat and Fluid Flow. - 2007. - T. 28. - №. 6. - C. 1492-1506.

78. Timofeeva E. V. et al. Particle size and interfacial effects on thermo-physical and heat transfer characteristics of water-based a-SiC nanofluids //Nanotechnology. -2010. - Т. 21. - №. 21. - С. 215703.

79. Рудяк В. Я., Белкин А. А., Егоров В. В. Об эффективной вязкости наносуспензий //Журнал технической физики. - 2009. - Т. 79. - №. 8. - С. 18-25.

80. Smovzh D. V. et al. Morphology of aluminium oxide nanostructures after calcination of arc discharge Al-C soot //Ceramics international. - 2015. - Т. 41. -№. 7. - С. 8814-8819.

81. Kosynkin D. V. et al. Longitudinal unzipping of carbon nanotubes to form graphene nanoribbons //Nature. - 2009. - Т. 458. - №. 7240. - С. 872.

82. Ландау Л. Д., Лифшиц Е. М. Теоретическая физика. том VI. Гидродинамика //М: Наука. - 1986.

83. Skripov P. V. et al. A method of controlled pulse heating: applications //Journal of Engineering Thermophysics. - 2007. - Т. 16. - №. 3. - С. 155.

84. Scott D. A., Lamoureux A., Baliga B. R. Modeling and simulations of laminar mixed convection in a vertical pipe conveying slurries of a microencapsulated phase-change material in distilled water //Journal of Heat Transfer. - 2013. - Т. 135. - №. 1. - С. 011013.

85. Wu W. et al. Jet impingement heat transfer using air-laden nanoparticles with encapsulated phase change materials //Journal of Heat Transfer. - 2013. - Т. 135.

- №. 5. - С. 052202.

86. Laurent S. et al. Magnetic fluid hyperthermia: focus on superparamagnetic iron oxide nanoparticles //Advances in colloid and interface science. - 2011. - Т. 166.

- №. 1-2. - С. 8-23.

87. Sharifi I., Shokrollahi H., Amiri S. Ferrite-based magnetic nanofluids used in hyperthermia applications //Journal of magnetism and magnetic materials. -2012. - Т. 324. - №. 6. - С. 903-915.

88. Benveniste Y. Effective thermal conductivity of composites with a thermal contact resistance between the constituents: Nondilute case //Journal of Applied Physics. - 1987. - Т. 61. - №. 8. - С. 2840-2843.

89. Keblinski P., Prasher R., Eapen J. Thermal conductance of nanofluids: is the controversy over? //Journal of Nanoparticle research. - 2008. - Т. 10. - №. 7. -С. 1089-1097.

90. Eapen J. et al. The classical nature of thermal conduction in nanofluids //Journal of heat transfer. - 2010. - Т. 132. - №. 10. - С. 102402.

91. Levin I., Brandon D. Metastable alumina polymorphs: crystal structures and transition sequences //Journal of the american ceramic society. - 1998. - Т. 81. -№. 8. - С. 1995-2012.