聲懸浮條件下氧化石墨烯納米流體的過冷及成核特性研究.pdf

1、在冰蓄冷技術領域,納米流體材料可以彌補大多數(shù)蓄冷材料相變過冷度較大和不易發(fā)生相變的缺陷,因此吸引了大量學者對其過冷特性進行研究,但都是在有容器接觸前提下實行的。由于流體具有流動性,其形狀必然受到與之接觸容器的影響,這種固-液界面的存在會給流體熱物性的研究帶來誤差;對于過冷實驗研究,容器壁的接觸會誘發(fā)異質形核,影響納米流體的相變過程,從而無法獲得納米流體真實的過冷特性。因此,為了排除容器壁面接觸對成核結晶的影響,本文采用聲懸浮無容器處理方

2、法對氧化石墨烯納米流體進行過冷度的研究。主要的研究內容及結果如下:
　　(1)實驗測量了容器內5種不同濃度的氧化石墨烯納米流體的過冷度,并與去離子水過冷度進行對比,發(fā)現(xiàn)各種濃度的納米流體過冷度均受到了極大抑制,最大降低了62.9％,成核時間也大大縮短。研究了不同冷卻溫度對容器內納米流體過冷度的影響,得出冷卻溫度越低,即冷卻速率越大,過冷度就越大。
　　(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、理論計算了氧化石墨烯納米薄片上的成核條件,并借助測量的納米薄片的粒徑分布和過冷度實驗結果證實了氧化石墨烯納米薄片可以作為表面異質成核的基底,有利于成核結晶。另外,利用楊氏(T.Young)方程和Good-Girifalco理論,經過計算得出納米粒子屬于高表面能固體,其表面發(fā)生異質成核時所需的成核功較低;同時氧化石墨烯本身良好的表面活性和潤濕性能也有利于降低成核功。
　　(3)實驗研究了聲懸浮條件下去離子水滴的過冷度分布,得出其平均

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

5、時的高溫高壓值,在109Pa數(shù)量級高壓下會產生強烈沖擊波或高速射流,從而增大納米粒子表面能,提高潤濕性;②根據(jù)Clapeyron-Clausius方程估算了高壓可產生的局部過冷度,均遠遠大于實驗測量的過冷度,增加了成核結晶的驅動力;③分析認為液滴表面帶有氣泡間隙的納米粒子或粒子團可形成空化核,在去離子水基礎上增加空化核的數(shù)量,進一步強化空化作用,同時帶有高能量的粒子會提供額外的成核功;這些均有利于過冷度的降低。
　　(5)實驗研究

6、了聲壓幅值對納米流體液滴過冷度的影響,結果表明聲壓幅值越大,液滴形變越明顯,過冷度也越低。同時,對比容器內相同濃度納米流體的過冷度,發(fā)現(xiàn)聲場作用要達到一定強度才能使液滴過冷度低于容器內流體過冷度,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)量就會增多,即異質成核點增多,空化作用就越易發(fā)生,而且程度越劇烈,對納米流體液滴過冷度的抑制效果就越顯著。
　　本文的研究結果表明氧化石墨烯納米薄片可以作為降低