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随着电子技术的快速发展,其集成度越来越高,而加工尺寸却越来越小,这就促成了微机电系统(MEMS)技术的兴起与发展。微机电系统是一种将微电子技术与微机械技术相结合的系统,相对于传统的机电系统而言,MEMS的体积更小、重量更轻、耗能更低,从而引起了人们的广泛关注。纳米流体是MEMS中的一个重要分支,与传统的换热工质相比,纳米流体的传热性能更好,因此具有重要的研究意义和广泛的应用前景。本文从稳定性、粘度以及流动特性等方面对纳米流体进行了研究。
首先,本文通过“两步法”制备了不同质量分数的TiO2-水纳米流体。对所制备的纳米流体进行不同时间的超声振动和添加不同质量分数的分散剂,以研究超声振动时间和分散剂的添加量对TiO2-水纳米流体稳定性的影响。研究结果表明,与未经超声振动的TiO2-水纳米流体相比,经过超声振动的纳米流体的稳定性明显提高,这说明超声振动可以改善纳米流体的稳定性。但过长的超声振动时间并不利于TiO2-水纳米流体的稳定,实验结果表明,最佳的超声振动时间为0.5小时,此时,纳米流体的稳定性最好。此外,在纳米流体中添加分散剂也可以改善其稳定性,但分散剂的添加量不同,对纳米流体稳定性的影响也不同,分散剂的添加量过多或过少都不利于纳米流体的稳定。
其次,通过实验测量了不同质量分数的TiO2-水纳米流体在不同温度时的粘度,并根据实验结果研究了颗粒质量分数与温度对纳米流体粘度的影响。研究表明,随着颗粒质量分数的增加,纳米流体的粘度也逐渐增大。而随着温度的升高,纳米流体的粘度反而减小,并且不同质量分数纳米流体的粘度变化趋势相似,即都随温度呈指数形式变化,且变化趋势取决于基液随温度的变化趋势。此外,以所测得的纳米流体的粘度值为基础,结合已有的粘度计算公式,提出了一个涉及温度和颗粒浓度的纳米流体粘度计算公式,且此公式与实验数据相吻合。
最后,通过实验测量了TiO2-水纳米流体在不同尺寸的微圆管道中流动时的流量-压力特性,并结合数值模拟的方法来研究纳米流体的流动特性。研究表明,TiO2-水纳米流体在不同种类的微管道中流动时,其流量随驱动压力的增大而大致呈线性关系增加。在直径分别为100μm和50μm的微管道中流动时,由于粘度与颗粒团聚体等因素的影响,纳米流体流量的实验值小于其模拟值。但随着微管道尺寸的减小,速度滑移的影响逐渐增大,以至于纳米流体在直径为15μm的微管道中流动时,其流量的实验值反而大于模拟值。