纳米流体材料在喷雾冷却中的研究进展

冷却技术的发展分为2大方向：被动冷却和主动冷却。被动冷却是指通过热传导或者热辐射的手段将热量带走，且不消耗额外的能量。最常见的被动冷却方式是空气冷却，冷却介质空气在环境风的作用下进行换热，换热器中的翅片旨在增大接触面积强化换热。Sachar等通过整理翅片技术在发动机换热领域的研究进展证实翅片的材料、形状、类型将决定着换热效率。同样作为被动冷却的热管技术在换热性能上展现出更高的效率。热管的运行原理是依靠管内气液两相流产生压差使得管内工质在蒸发段和冷凝段往复运动并持续换取热源热量。

尽管翅片技术与热管技术较为成熟，但受限于空气风冷的换热极限与接触热阻的存在，换热效率依旧无法满足较高热通量的需求。因此为了能够进一步增强换热性能，喷雾冷却、射流冷却和微通道冷却等主动冷却技术受到广泛关注。Royne等研究成果显示，喷雾冷却、微通道冷却和射流冷却等主动冷却手段能够大幅降低接触热阻产生的影响，但不同技术的原理差异导致降低速率不尽相同。微通道冷却存在2种形式：直接冷却和间接冷却。Chen等通过模拟和实验的手段发现聚光光伏系统中喷雾冷却的热效率可达60%，总效率可达87.5%。综合对比被动冷却技术，主动冷却因接触热阻的大幅削弱得以实现更高的换热效率、更低的表面温度和更均匀的温度分布。

无论是主动冷却还是被动冷却都会存在换热工质作为热量载体。如今绝大多数冷却技术都使用液体换热工质，其中最为普遍的是工质水。换热工质的探索进程中发现了诸多工质种类例如乙二醇、导热油等，经由相关实验研究发现工质种类能提升冷却性能，但液体工质导热系数相对较低，只能在有限范围内增强换热效果。

综上所述，喷雾冷却技术与纳米流体技术都能够更进一步增强冷却效果，并在研究领域产出诸多学术成果。但目前涉及汇总纳米流体喷雾冷却特性和影响因素的相关研究少之又少。此外，在技术利用层面中，针对此项技术应用领域的相关研究也鲜有开展。故而本文中将分为喷雾冷却影响因素、纳米流体技术和纳米流体喷雾冷却技术进行归纳，总结增强纳米流体喷雾冷却换热性能的改进方案，并针对性分析此项技术的最新应用领域。

喷雾冷却技术的原理是冷却工质通过喷嘴或者孔洞转化成具有一定的初始速度的雾化形态，并冲击热源表面从而达到冷却效果。雾化特性是指喷嘴形态、工况、雾化工质的物性参数以及雾化剂等因素对于喷雾雾化性能的影响规律，同时提出雾化密度、雾化均匀性等参数用以全面衡量喷雾性能。

雾化后液滴直径和分布对于喷雾冷却性能有致关重要的影响。通常以Sauter平均直径(SMD)d₃₂描述分布情况：

式中，N_j表示第j个尺寸等级中的数量；D_j表示第j个尺寸等级中颗粒直径的平均数。

上述公式是以基础喷雾形态为基石所建立的，当诸如压力、喷嘴形态、工质物性等工况系数改变后其准确度有所偏差不足以精确衡量雾化效果，因此后续的相关研究中都以基础公式(1)进行改进修改从而建立符合相关模型的理论公式。Chen等根据实验数据利用响应面法建立喷雾SMD和其影响因素的关系方程式。分析过程中运用Design Expert分析软件，方差分析结果显示，喷嘴压力、工质黏度和大气压力对于SMD的影响递减，随后建立SMD公式如下：

式中，μ_l为喷嘴流速；P_l为喷嘴压力；P_a为大气压力。

针对液滴平均直径SMD参数的具体影响Fu使用相位多普勒风速计(PDA)研究非共沸溶液R245fa/R142b在不同工况下的喷雾特性。通过实验发现降低液滴平均直径导致喷雾密度增大，使得分散于热沉表面的液滴更均匀进而增强换热性能。

与此同时，工况条件的改变对于雾化影响也不可忽略。喷雾形态有2种：液压式和气压式，2种形态都是利用加压的方式给与喷雾一定的初速度使其撞击热沉表面，大量的研究使用不同的实验手段对雾化效果进行了分析，实验结果证明初始压力能够有效影响雾化性能。其中Shahnazari等对比分析多种浓度的工质的雾化特性通过图像分析计算法确定了最佳的初始压力为0.5 MPa。同比初始压力，喷雾冷却质量流量对于雾化特性的影响研究进展已经较为普遍且全面，但众多的实验研究中发现质量流量对于雾化特性的影响存在两面性。

1995年，美国Argonne实验室的Choi首次提出了“纳米流体”的概念，纳米流体技术应运而生。纳米流体是指以一定的方法和比例，在常规液体中掺杂高导热系数的纳米级固体颗粒形成的一种新型的传热流体。其中纳米级的固体颗粒一般为金属、金属氧化物以及不同形态的碳材料，此类物质的导热系数相较于传统导热介质高出千百倍，在理论上加入此类物质的纳米流体基液传热能力大幅度提升。

纳米流体相较于传统介质因其中掺杂了纳米级固体颗粒，故而在导热系数上提升了多个数量级，因此纳米流体也成为了时兴的一种导热介质材料。但影响纳米流体稳定性的因素过多，所以制备能够长期稳定的纳米流体也是目前主要的一个技术挑战。现如今，主流的纳米流体制备方法有2种，单步法见图1，两步法见图2。

图1  单步法制备流程

图2  两步法制备流程

单步法是将纳米颗粒直接掺杂到基液中得到纳米流体，通常使用物理气相沉积法（PVD）以及化学液相法等直接制备纳米颗粒。Lee等使用脉冲金属丝蒸发（PWE）的方法制备出ZnO-EG纳米流体，研究显示，该材料拥有较高的导热系数以及长期的稳定性，同时显现出了牛顿流体特性。Mohammadpoor等以次磷酸钠作为还原剂，分别采用一步法和两步法制备了乙二醇基铜纳米流体，结果表明，一步法制备的纳米流体具有更高的稳定性。但单步法制作成本高、设备烦琐以及无法批量生产等不足，只适用于低蒸汽压基液纳米流体的制备。

相较于单步法，两步法是先单独制备出纳米颗粒，再将纳米颗粒以某种手段掺杂入基液中得到纳米流体。两步法具有工艺简单、成本低等优点，几乎适用于所有的纳米流体制备。Xuan等以金属铝和铜粉为材料，使用分散剂以及产生波等手段制备水基和油基2种纳米流体。Xia等通过两步法制备了不同体积分数的Al₂O₃-水纳米流体，并通过实验得出分散剂种类和浓度对纳米流体稳定性的影响。同样不同基液的TiO₂、ZnO₂和CNTs等纳米流体也可以通过两步法制备。不难发现无论是单步法还是两步法制备出的纳米粒子形态大致相同且团聚现象都会出现，但通过后期超声处理以及加入表面活性剂等方式能够显著改善情况，考虑到经济性和产品市场需求量，目前两步法制备纳米流体更加普及。

纳米流体和喷雾冷却均为解决现如今如何快速且均匀地换取单位面积上高热量的技术。纳米流体通过在传统流体工质中加入换热系数高出百倍甚至千倍的固体颗粒从而提高工质换热系数。喷雾冷却技术是利用具有一定初速度的工质液滴撞击热沉表面的主动冷却手段。纳米流体和喷雾冷却技术的结合主要考虑几个问题：第一，纳米流体中的固体颗粒尺寸是否对于喷嘴造成堵塞现象。相较于射流冷却，喷雾冷却要求固体颗粒的尺寸不能过大。并且在长期的运行中要确保管道中不能持续堆积纳米粒子而引发堵塞。第二，纳米流体在热表面中对于对流换热和沸腾换热都起着增强作用。现如今诸多成果将纳米流体与喷雾冷却进行优势结合进一步提高换热性能。在上述总结的研究中发现纳米流体工质具有更高的导热系数，喷雾冷却作为一个主动冷却技术不仅比被动冷却换热优势明显，而可以灵活控制变量进一步提高传热性能。综合研究后使得纳米流体喷雾冷却技术具有可行性。

Marseglia等以蒸馏水和0.05% CTAB混合溶液作为基液掺杂氧化铝和金属银纳米颗粒制备纳米流体。实验主要以探究掺杂浓度、纳米粒子种类和纳米粒子形状对于换热性能的影响。为了更直观地观察瞬态下喷雾的形态，利用高速摄影机和热成像仪捕捉同种热流密度下喷嘴高度10、20 mm下的画面。实验结果显示，氧化铝纳米粒子相较于纯金属银纳米粒子拥有更高的导热系数，与此同时使用球形纳米粒子比使用三角形粒子拥有更低的温度，换热效果好。

Ravikumar等以体积分数为0.1%的氧化铝-水纳米流体为基液，加入SDS、聚氧乙烯(20)和脱水山梨糖醇单月桂酸酯(Tween20)3种表面活性剂，对比研究有无表面活性剂和表面活性剂种类对于纳米流体喷雾冷却的换热性能影响。分析后得出，表面活性剂的加入能够增强纳米流体冷却速率和导热系数等参数，相较于纯基液换热效果显著增强。相较于去离子水加入表面活性剂的纳米流体大大提升了冷却速率，氧化铝-水为10.2%，氧化铝-水-SDS为18.6%，氧化铝-水-Tween20为32.3%。Chakraborty团队探究SDS和Tween20 2种表面活性剂对于Cu-Zn-Al LDH纳米流体的热物性、稳定性和传热性能的影响。搭建Cu-Zn-Al LDH纳米流体喷雾冷却实验装置，同时根据理论计算绘制计算域和边界条件理论图。通过对比试验得出，SDS能够与Cu-Zn-Al LDH纳米流体更好地相容并且混合溶液的热物性得到提升；传热方面Tween20对于纳米流体的导热系数和传热效果都产生了不良的影响，反观SDS能够稳定地提升纳米流体导热系数。

Bellerová等利用固体喷射喷嘴为实验装置，测试氧化铝-水纳米流体的相关传热系数(HTC)，借助热探头采集瞬态温度变化曲线。结果表明，HTC与流速呈正相关，纳米流体体积分数从0~0.164 5过程中HTC降低了45%。Peng等在真空喷雾闪蒸(VSFEC)实验中使用氧化铝-水纳米流体作为换热工质，喷嘴孔径为0.5 mm，高度为7 mm。实验中以流量和浓度为变量范围，分别为1.7~5.0 L/h和0、100×10^-6、200×10^-6、300×10^-6、400×10^-6、500×10^-6。实验结果显示，在小流量下，适当的浓度能够增强换热性能。

换热技术领域的探索从单纯的冷却、降温的研究方向逐渐转变为“热管理”，这一概念不仅需要冷却手段能够高效冷却，同样需要其运行可调控和能量可再利用。喷雾冷却技术相较于其他冷却技术能够最大限度满足“热管理”的需求，纳米流体工质能进一步提升效率。纳米流体喷雾冷却技术研究日益增多，伴随着技术原理的深入研究，从中发掘了诸多应用领域。

Siddiqui等为研究应对今后生产设备单位面积内的高能流密度和紧凑的密封等问题。采用实验平台和仿真模型分析喷雾冷却下纳米流体、水和介电流体对电动汽车高功率电子设备的影响。通过虚拟仿真和实验对比后得出结论：混合纳米流体喷雾冷却能够增强临界热通量(CHF)，增幅高达126%，与此同时混合纳米流体喷雾冷却相较于水和介电流体能够实现电子设备始终处于正常工作温度。

Javidan等以SiC/水纳米流体为制冷剂建立光伏电池冷却试验台。实验以发掘最佳喷嘴排列方式为目标，通过设计阵列、改变流量以及改变纳米流体浓度探究最佳工况。历经众多实验后发现，采用太阳辐照为1 000 W/m²，流量为8.4 kg/min，纳米流体质量分数为1.1%时能够产生9.3 W的电能。

Chakraborty等采用共沉淀手法制备不同比率的Cu和Al的混合氢氧化物纳米流体，以喷雾冷却方式应用于钢铁制备中的冷却工艺。实验第一部分旨在获得最佳浓度配比，经多次尝试后发现当Cu和Al摩尔比为4∶1时，冷却效果最佳；再次配比下开展第二部分实验旨在获取最佳浓度，实验结果显示体积分数为160×10^-6时的冷却速率达到最大为168.6℃/s。Jha等针对水、水-氧化铝(WA)、水-氧化铝-SDS(WAS)和水-氧化铝-Tween20(WAT)4种纳米流体在使用喷雾冷却下对于移动钢板的快速冷却。实验发现，与工质水相比，WA溶液和WAS溶液对于冷却速率的提高分别为17%和61%，但WAT溶液却降低了5%。由此发现表面活性剂对于纳米流体的冷却效果的影响具有两面性。

纳米流体喷雾冷却技术利用纳米颗粒的高比表面积和高热导率，使其与被冷却物体接触面积增加，能够更快地吸收和传递热量，从而提高冷却效率；喷射的冷却剂具有较高的速度和冲击力，可以更快地将热量从被冷却物体表面带走。快速冷却和精确的“热管理”使得其在今后日益增加的高能流设备的冷却手段选择中独树一帜，伴随着日益增多的集成化且高热量的生产生活设备，此项技术值得大力推广。不过，纳米流体喷雾冷却技术在特性研究和应用领域中仍存在大量的研究空缺，距离大规模工业应用还有较大差距。为解决这些问题，今后还需要更深入地研究与探索。

（1）需进一步印证纳米流体喷雾冷却技术的高效换热和优异热管理性能，以多种纳米流体工质纳入实验流程，尝试不同种类的喷雾形式开展实验，拓宽纳米流体喷雾冷却的技术路线，提高纳米流体喷雾冷却技术的实用价值。

（2）着重优化喷雾液滴大小和分布，避免气泡的干扰，提高纳米流体喷雾冷却的传热效果和性能。对于自动化技术，注重喷雾液滴大小和喷雾精度的控制，提高控制精度和稳定性，并尝试智能化技术在纳米流体喷雾冷却中的应用。

（3）鉴于纳米流体喷雾冷却具有更短的响应时间，可以更快地将热量从热源传递到冷却介质中，从而显著提高冷却速率。众多应用场景中诸如激光武器、航空发动机需在极短时间内快速冷却热源从而提高设备的可靠性、稳定性和使用寿命，故而纳米流体喷雾冷却针对此类型的问题有更广泛的应用。