纳米流体

纳米流体是流体含有纳米尺度的颗粒，称为纳米颗粒。这些流体是纳米粒子在基础流体中的工程胶体悬浮液。用于纳米流体的纳米颗粒通常由金属、氧化物、碳化物或碳纳米管制成。常见的基础油包括水、乙二醇和油。

纳米流体具有新的特性，使它们在传热方面的许多应用中具有潜在的用途，包括微电子、燃料电池、制药过程和混合动力发动机，发动机冷却/车辆热管理、家用冰箱、冷却器、热换热器、研磨、机加工和锅炉烟气降温。与基液相比，它们表现出增强的热导率和对流传热系数。流变学知识发现纳米流体的行为对于决定它们是否适用于对流传热应用至关重要。纳米流体还具有特殊的声学特性，并且在超声场中显示出入射压缩波的额外剪切波再转换；随着浓度的增加，效果会更加明显。

在计算流体动力学(CFD)等分析中，可以假设纳米流体是单相流体；然而，几乎所有新的学术论文都使用两阶段假设。可以应用单相流体的经典理论，其中纳米流体的物理特性被视为成分及其浓度的特性的函数。另一种方法使用双组分模型模拟纳米流体。

通过扩散在接触线附近组装的纳米颗粒的固体状有序结构增强了纳米流体液滴的扩散，这在接触线附近产生了结构分离压力。然而，对于纳米级直径的小液滴，没有观察到这种增强，因为润湿时间尺度远小于扩散时间尺度。

纳米流体是通过几种技术生产的：

1. 直接蒸发（1步）
2. 气体冷凝/分散（2步）
3. 化学蒸气冷凝（1步）
4. 化学沉淀（1步）
5. 生物基（2步）

包括水、乙二醇和油在内的几种液体已被用作基础流体。尽管稳定可能是一个挑战，但正在进行的研究表明这是可能的。目前用于纳米流体合成的纳米材料包括金属颗粒、氧化物颗粒、碳纳米管、石墨烯纳米薄片和陶瓷颗粒。

开发了一种使用丁香芽对多壁碳纳米管(MWCNT)进行共价功能化的生物基、环保方法。没有任何有毒和危险的酸，这些酸通常用于该合成中常用的碳纳米材料功能化程序。MWCNT使用自由基接枝反应在一锅中功能化。然后将丁香功能化的MWCNT分散在蒸馏水（去离子水）中，产生高度稳定的MWCNT水悬浮液（MWCNTsNanofluid）。

为了实现传统纳米流体适度的热导率增强，Kalpakkam英迪拉甘地原子研究中心的一组研究人员开发了一类新的磁极化纳米流体，其中展示了高达300%的基流体的热导率增强。为此，已经合成了不同尺寸（3-10nm）的脂肪酸封端磁铁矿纳米颗粒。已经表明，通过改变磁场强度和相对于热流方向的取向，这种磁性纳米流体的热学和流变学特性都是可调的。这种响应刺激流体是可逆的，并且在微型设备中具有应用，例如微型和纳米机电系统。2013年，Azizian等人。在层流状态下，通过实验考虑了外部磁场对水基磁铁矿纳米流体的对流传热系数的影响。在Re=745和32.5mT/mm的磁场梯度下获得高达300%的增强。磁场对压降的影响不那么显着。

研究人员发明了一种基于纳米流体的超灵敏光学传感器，该传感器在暴露于极低浓度的有毒阳离子时会改变其颜色。该传感器可用于检测工业和环境样品中的微量阳离子。用于监测工业和环境样品中阳离子水平的现有技术昂贵、复杂且耗时。该传感器采用磁性纳米流体设计，该流体由纳米液滴和悬浮在水中的磁性颗粒组成。在固定磁场下，光源照亮纳米流体，其中纳米流体的颜色根据阳离子浓度而变化。这种颜色变化在暴露于阳离子后的一秒钟内发生，比其他现有的阳离子传感方法快得多。

这种响应刺激纳米流体还用于检测和成像铁磁组件中的缺陷。所谓的光子眼基于可磁极化的纳米乳液，当它与样品中的缺陷区域接触时会改变颜色。该设备可用于监控铁轨和管道等结构。

大小为80-150纳米的磁性纳米粒子簇或磁性纳米珠沿外部磁场方向形成有序结构，粒子间距为数百纳米，导致悬浮液中可见光的强衍射。

许多研究声称纳米颗粒可用于提高原油采收率。很明显，开发用于石油和天然气工业的纳米流体具有很大的实际意义。

纳米流体主要由于其增强的热性能而用作换热器、电子冷却系统（如平板）和散热器等传热设备中的冷却剂。许多研究人员已经分析了平板上的传热。然而，它们也因其受控的光学特性而有用。已经发现基于石墨烯的纳米流体可以提高聚合酶链反应的效率。太阳能收集器中的纳米流体是另一种应用，其中纳米流体因其可调谐的光学特性而被采用。纳米流体也已被探索通过改变热导率和吸收阳光来增强热脱盐技术，但纳米流体的表面污染对这些方法构成了主要风险。

• 纳米流体的粘度
• 纳米流体的热导率

早期的研究表明，纳米流体的热特性比基础流体的热特性异常增加，特别是传热系数，在很大程度上已被否定。一项涉及全球30多个实验室的研究得出的主要结论之一是“在此练习中测试的一组有限的纳米流体中没有观察到热导率的异常增强”。COST资助的研究计划Nanouptake(COSTActionCA15119)成立的目的是“开发和促进使用纳米流体作为先进的传热/热储存材料，以提高热交换和储存系统的效率”。最终结果之一，涉及在五个不同实验室进行的一项实验研究，得出的结论是“没有异常或无法解释的影响”。

尽管有这些明显结论性的实验研究，理论论文继续遵循异常增强的主张，参见特别是通过布朗和热泳机制，如邦焦诺。布朗扩散是由于悬浮纳米粒子在基液中随机漂移，这是由于纳米粒子和液体分子之间的碰撞引起的。热泳诱导纳米粒子从较温暖的区域迁移到较冷的区域，同样是由于与液体分子的碰撞。Myers等人解释了实验结果和理论结果之间的不匹配。特别是，布朗运动和热泳效应太小而不能产生任何显着影响：由于使用了不正确的参数值，它们的作用在理论研究中经常被放大。Alkasmoul等人提供了断言的实验验证。在讨论在太阳能集热器中使用纳米流体时，布朗扩散作为增强传热的原因被驳回。