恭 飛,吳張永,王雪婷,杜 奕
(1.昆明理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院,昆明 650500;2.昆明理工大學(xué)城市學(xué)院,昆明 650500)
液壓傳動(dòng)是一門依靠液體為工作介質(zhì),能實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng),信息,力能傳遞與控制的技術(shù)[1]。當(dāng)前液壓系統(tǒng)使用的介質(zhì)主要是礦物基液壓油和高水基液壓液,而由于石油資源的有限和對(duì)環(huán)境的污染,已經(jīng)無(wú)法適應(yīng)工業(yè)領(lǐng)域的發(fā)展要求,由此,水液壓作為礦物型液壓油的替代品成為了當(dāng)前的研究熱點(diǎn)。然而與油液相比,水的理化性能差別很大,尤其是黏度過(guò)低的問題,一直制約著水液壓的發(fā)展。納米碳化硅(SiC)作為一種新型材料[2-4],不僅耐磨性,自潤(rùn)滑性較好,具有穩(wěn)定的化學(xué)性能,且密度低[5-6],是作為納米流體的較好材料。然而當(dāng)前還沒有相關(guān)的研究報(bào)道將其作為納米流體的制備材料,對(duì)其分散穩(wěn)定性的影響因素進(jìn)行系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)研究。據(jù)此,本文的研究目的是以水作為基液,納米碳化硅(SiC)加入到水介質(zhì)中作為添加劑,以改善水的固有理化性能。納米流體是指以一定的方式和質(zhì)量分?jǐn)?shù)比例在基液中添加納米量級(jí)的金屬或非金屬粒子而形成的一類新型功能流體材料[7-8],利用納米材料研制納米流體的技術(shù)在工業(yè)領(lǐng)域具有巨大的應(yīng)用前景,成為材料、物理、化學(xué)、傳質(zhì)學(xué)、傳熱學(xué)等各個(gè)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)[9-11]。然而,納米流體制備后的分散不穩(wěn)定性是制約納米材料在功能流體應(yīng)用和研究過(guò)程中的世界性難題[12-15]。納米流體在不適于的分散體系中極易導(dǎo)致團(tuán)聚現(xiàn)象產(chǎn)生,對(duì)這種團(tuán)聚現(xiàn)象的微觀理論解釋目前還沒有相對(duì)準(zhǔn)確的結(jié)論,但對(duì)其研究還在繼續(xù)。當(dāng)前研究者提出了不同的理論,包括毛細(xì)管吸附理論[16]、氫鍵理論[17]、晶橋理論[18]、化學(xué)鍵作用理論[19]等。Jiang等[20]的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了化學(xué)鍵作用理論,其被認(rèn)為是目前形成團(tuán)聚的主要原因。如今表面化學(xué)修飾[21]和分散劑[22-24]是主流的分散方式,本文采用分散劑作為分散方式。
研究主要包括:通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究驗(yàn)證得出納米SiC顆粒的最佳分散體系,并利用AMEsim軟件的Media Property Assistant建立分散性最佳的SiC納米流體屬性子模型,對(duì)其進(jìn)行流體屬性特征仿真分析實(shí)驗(yàn)研究,為SiC納米流體作為功能流體的應(yīng)用提供有意義的理論基礎(chǔ)參考。
1.1.1 試劑
實(shí)驗(yàn)所選用的納米顆粒為SiC(平均粒徑為20 nm、40 nm、70 nm),分散劑為十二烷基硫酸鈉(SLS)、十二烷基苯磺酸鈉(SDBS)、羧甲基纖維素鈉(CMC)、十六烷基三甲基溴化銨(CTMHB)和聚乙二醇(PEG);增稠劑為蒙脫土(K10);基液分別是自來(lái)水、去離子水、RO反滲透膜處理水(WRO)和乙醇。
1.1.2 儀器
所需其他設(shè)備主要有JPT-1架盤天平、JH-100數(shù)顯恒溫控速電動(dòng)攪拌器(金壇市晶玻實(shí)驗(yàn)儀器廠)、KQ超聲波清洗儀(東莞市科橋超聲波設(shè)備有限公司)、工業(yè)冰箱(東莞市威諾試驗(yàn)設(shè)備有限公司)、SNB-1數(shù)字旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)(維德儀器儀表有限公司)、BSY-109密度測(cè)定儀(大連北港石油儀器有限公司)、分光光度計(jì)(上海菁華科技儀器有限公司)、800型離心機(jī)、電子分析天平、燒杯。
1.2.1 方案
圖1 高水基納米流體制備流程Fig.1 High water-based nanofluid preparation process
采用兩步法合成SiC納米流體,制備流程如圖1所示。根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求本文以分散劑種類和用量、基液種類、納米顆粒粒徑、機(jī)械攪拌時(shí)間、溫度和pH值作為變量因素,探究不同變量條件下的穩(wěn)定性影響因素,利用紫外分光光度計(jì)測(cè)定吸光度來(lái)對(duì)其穩(wěn)定性進(jìn)行測(cè)定。
1.2.2 納米流體樣品制備步驟
(1)分散劑溶液的制備:首先采用電子分析天平分別稱取含量為1%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))的SLS、CTMHB、SDBS、CMC、PEG與去離子水混合,然后將SiC納米顆粒加入到去離子水中,將KQ超聲波清洗儀的溫度設(shè)定為40 ℃,在水浴條件下,超聲分散制成納米顆粒水溶液,最后將制備好的分散劑溶液滴加到納米顆粒水溶液中,并對(duì)其進(jìn)行加熱均質(zhì)處理,最后在40~50 ℃環(huán)境下將其進(jìn)行機(jī)械攪拌,靜置12 h以上。
(2)根據(jù)步驟(1)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果選擇出分散效果較好的分散劑與納米顆粒實(shí)驗(yàn)組,在其他實(shí)驗(yàn)條件不變的情況下,改變分散劑的含量分別為0.00~0.25 mol/L,得出分散劑的最佳用量。
(3)根據(jù)步驟(1)和(2)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果獲得分散劑與納米顆粒相對(duì)最優(yōu)組合,在此基礎(chǔ)上制備基液分別為自來(lái)水、去離子水、RO反滲透膜處理水和乙二醇的不同種類納米流體。
(4)在步驟(3)的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上,分別選用平均粒徑為20 nm、40 nm和70 nm的SiC納米材料進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。
(5)根據(jù)步驟(3)和(4)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果得出納米顆粒、分散劑和基液的相對(duì)最佳組合,基于此探究不同機(jī)械攪拌作用時(shí)間對(duì)納米流體沉降穩(wěn)定性的影響。實(shí)驗(yàn)所設(shè)的攪拌時(shí)間分別為0.05~2 h。
(6)根據(jù)步驟(5)得出的實(shí)驗(yàn)結(jié)果,探究在不同溫度條件下的納米流體靜態(tài)穩(wěn)定的最佳溫度,實(shí)驗(yàn)溫度范圍根據(jù)高水基液壓液的常規(guī)工作溫度范圍確定為5~55 ℃。
(7)pH值是影響納米流體穩(wěn)定性和應(yīng)用環(huán)境的極其重要的指標(biāo)。在步驟(5)的基礎(chǔ)上采用NaOH溶液和HCl溶液分別對(duì)已制備的納米流體進(jìn)行滴定實(shí)驗(yàn),通過(guò)pH試紙標(biāo)定流體的pH值,pH值范圍為1~11。
2.1.1 分散劑種類
將步驟(1)制備的納米流體水溶液,以分散劑含量為1%的水溶液為參比液,分析了不同種類的分散劑的分散效果,如圖2所示(吸光率absorbance簡(jiǎn)寫ABS)。
圖2 不同分散劑的吸光度
Fig.2 Absorbance of different dispersants
圖3 CMC用量對(duì)SiC納米流體穩(wěn)定性的影響
Fig.3 Effect of CMC dosage on the stability of SiC nanofluids
2.1.2 分散劑用量
根據(jù)2.1.1的實(shí)驗(yàn)結(jié)果,取n(SiC)∶n(K10)=3,研究CMC的不同用量對(duì)水基納米流體的穩(wěn)定性影響,如圖3所示。
圖4 基液種類對(duì)SiC納米流體穩(wěn)定性的影響Fig.4 Effect of base fluid type on stability of SiC nanofluid
根據(jù)步驟(3)的實(shí)驗(yàn)過(guò)程,采用同體積的自來(lái)水、去離子水、RO反滲透膜處理水和乙醇作為基液制備不同種類的SiC納米流體,研究基液種類對(duì)納米流體穩(wěn)定性的影響,如圖4所示。
由圖4可知,膜處理水、去離子水和自來(lái)水的分散效果較好,其中膜處理水的分散效果最好。通過(guò)實(shí)驗(yàn)分析乙醇不適于用作SiC納米流體的基液,這主要是因?yàn)镃MC中的羥基與乙醇不相溶。膜處理水、去離子水和自來(lái)水分散效果的差異主要是原于不同種類水基液中不溶性雜質(zhì)的影響。
取平均粒徑分別為20 nm、40 nm、70 nm的SiC納米顆粒各0.6 g,基液為膜處理水、分散劑、添加劑各1.0 mol/L,制備不同粒徑的納米流體,研究了顆粒粒徑對(duì)納米流體穩(wěn)定性的影響,如圖5所示。
由圖5可知,納米顆粒粒徑為45 nm的SiC顆粒分散效果最好。這可能是因?yàn)榧{米顆粒粒徑太小,在基液中的布朗運(yùn)動(dòng)過(guò)于激烈,不利于被分散劑包覆,而過(guò)大的粒徑重力沉降作用較強(qiáng)烈,不利于SiC納米流體的分散穩(wěn)定性。
圖5 納米顆粒粒徑對(duì)SiC納米流體穩(wěn)定性的影響
Fig.5 Effect of particle size on the stability of SiC nanofluids
圖6 機(jī)械攪拌時(shí)間對(duì)SiC納米流體穩(wěn)定性的影響
Fig.6 Effect of mechanical stirring time on the stability of SiC nanofluids
取粒徑為40 nm的SiC納米顆粒0.6 g,分散劑、添加劑各1.0 mol/L,基液為膜處理水,根據(jù)步驟(4)的要求,研究了機(jī)械攪拌時(shí)間從0.05~2 h對(duì)納米流體穩(wěn)定性的影響,如圖6所示。
由圖6可知,機(jī)械攪拌時(shí)間為1 h時(shí),SiC納米流體的分散穩(wěn)定性最好。這主要是因?yàn)闄C(jī)械攪拌可使超細(xì)顆粒間的作用能急劇減小,能阻止顆粒間產(chǎn)生團(tuán)聚,使分散效果達(dá)到最佳,而時(shí)間低于1 h,分散劑與納米顆粒不能形成包覆完整的流體,在重力作用下易沉降。但當(dāng)機(jī)械攪拌時(shí)間超過(guò)1 h后,分散穩(wěn)定性迅速降低,是由于分散體系溫度升高,顆粒之間的布朗運(yùn)動(dòng)加速,使被分散開的顆粒又形成了二次團(tuán)聚,SiC納米流體的穩(wěn)定性變差,在1.6 h后,由于分散體系通過(guò)與外界環(huán)境進(jìn)行熱交換而使體系內(nèi)的溫度降低,導(dǎo)致二次團(tuán)聚顆粒又被再次分散,使納米流體的分散穩(wěn)定性逐步提高,由此可知機(jī)械攪拌時(shí)間對(duì)SiC納米流體的分散穩(wěn)定性的影響是一個(gè)循環(huán)過(guò)程。
圖7 溫度對(duì)SiC納米流體穩(wěn)定性的影響
Fig.7 Effect of temperature on the stability of SiC nanofluids
圖8 pH值對(duì)SiC納米流體穩(wěn)定性的影響
Fig.8 Effect of pH value on the stability of SiC nanofluids
在上述實(shí)驗(yàn)的最佳條件下,探究溫度與pH值對(duì)SiC納米流體穩(wěn)定性的影響,其結(jié)果如圖7、圖8所示。
由圖7和圖8可知,隨著反應(yīng)溫度升高,溶液呈堿性時(shí)分散環(huán)境條件最好。這是因?yàn)闇囟忍停芤撼手行詴r(shí),反應(yīng)速度較慢,體系成核速度小于生長(zhǎng)速度,導(dǎo)致顆粒粒徑增大,從而使得SiC納米流體不太穩(wěn)定。
本節(jié)主要通過(guò)應(yīng)用AMEsim軟件,以流體力學(xué)和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)為指導(dǎo)依據(jù)[25-26]對(duì)以上制備實(shí)驗(yàn)得到的分散穩(wěn)定性較好的SiC納米流體進(jìn)行建模與仿真,主要探究SiC納米流體作為液壓介質(zhì)應(yīng)用于液壓系統(tǒng)中時(shí)溫度、壓力、溶解或混入的空氣量等因素變化時(shí),納米流體的屬性所產(chǎn)生的變化,對(duì)液壓系統(tǒng)性能所造成的影響這一問題,提出了一種通過(guò)AMEsim軟件進(jìn)行SiC納米流體屬性仿真的方法,用于探究在不同環(huán)境條件下納米流體的物性參數(shù)變化情況,為SiC納米流體作為液壓介質(zhì)在工業(yè)鄰域的應(yīng)用提供有效的理論分析基礎(chǔ)。
納米流體作為一種特殊的懸浮流體,既具有一般流體的共有性質(zhì)又具有優(yōu)異的熱性能和潤(rùn)滑性能。本文根據(jù)以上制備實(shí)驗(yàn)得到的沉降穩(wěn)定性較好的SiC納米流體為研究對(duì)象。
3.1.1 黏度
黏度是流體流動(dòng)阻力大小的度量。黏度大小對(duì)液壓系統(tǒng)的壓力損失和泄漏損失有影響。
黏度的度量參數(shù)分為動(dòng)力黏度和運(yùn)動(dòng)黏度,其數(shù)值大小根據(jù)以下公式計(jì)算得到:
(1)
另外,液體的黏度對(duì)溫度變化十分敏感,這一特性稱為黏溫特性。不同液體具有不同的黏溫特性,試驗(yàn)驗(yàn)證,當(dāng)溫度在30~150 ℃范圍內(nèi),對(duì)運(yùn)動(dòng)黏度ν<76 cSt的液體,其黏度與溫度的關(guān)系可以表示為:
(2)
式中:νT為溫度為T時(shí)的運(yùn)動(dòng)黏度;ν50為溫度為50 ℃時(shí)的運(yùn)動(dòng)黏度;T為當(dāng)前溫度;n為液體在50 ℃時(shí)的黏溫指數(shù)(可通過(guò)查閱流體傳動(dòng)手冊(cè)獲得)。
其次,研究表明,當(dāng)液體所受的壓力增加時(shí),分子間的距離縮小,內(nèi)聚力增大,其黏度也隨之增大。在實(shí)際工程中,當(dāng)壓力大于5 MPa,需要考慮壓力對(duì)黏度的影響,其關(guān)系式為:
νP=ν0ebP
(3)
式中:νP為壓力為P(相對(duì)壓力)時(shí)的運(yùn)動(dòng)黏度;ν0壓力為105MPa時(shí)的運(yùn)動(dòng)黏度;b為液體在105MPa下的黏壓指數(shù)。
3.1.2 密度
密度是流體單位體積的質(zhì)量。密度大小對(duì)流體的慣量(質(zhì)量大小)有影響。流體的密度是壓力、溫度和流體類型這三個(gè)變量的函數(shù),即:
ρ=f(P,T,fluid)
(4)
式中:ρ為密度;P為壓力;T為溫度;fluid流體類型。
3.1.3 壓縮性
壓縮性是液體的宏觀體積隨著壓力的增大而減小的特性。影響液體壓縮性的主要因素包括壓力、溫度、空氣釋放、氣穴現(xiàn)象、管道特性等。在數(shù)值上,用液體的體積彈性模量的倒數(shù)來(lái)描述,即:
(5)
液體的可壓縮性與液體的壓力和溫度的關(guān)系可用經(jīng)驗(yàn)公式度量,即
(6)
式中:c1(T)和c2(T)為不同溫度下的液體壓縮性數(shù)值;λ(T)為溫度對(duì)液體壓縮性的影響系數(shù)。
3.1.4 導(dǎo)熱性
在液壓系統(tǒng)中,當(dāng)介質(zhì)從高壓流向低壓而不做功時(shí),就會(huì)產(chǎn)生熱。液壓系統(tǒng)過(guò)熱會(huì)給系統(tǒng)和液壓介質(zhì)的性能造成極大危害,如:
(1)引起液壓系統(tǒng)運(yùn)行故障,導(dǎo)致傳動(dòng)精度降低。
(2)使油的黏度降低,泄漏增加,泵的容積效率降低,系統(tǒng)摩擦阻力增大,導(dǎo)致磨損加劇。
(3)使液體的控制分離壓降低,造成溶解空氣逸出,產(chǎn)生氣穴,使工作介質(zhì)性能降低。
SiC納米流體因其具有較大的比表面,能大幅度提高導(dǎo)熱能力和熱容量。其熱導(dǎo)率根據(jù)傅里葉定律,熱導(dǎo)率k的定義式為:
(7)
根據(jù)納米熱力學(xué)相關(guān)理論研究結(jié)論,采用溫度的二階多項(xiàng)式函數(shù)計(jì)算液體的熱導(dǎo)率,如式(8)所示:
λP=λP0[1+(dT)ΔT+(dT2)(ΔT)2]
(8)
式中:λP0為參考熱導(dǎo)率(在參考?jí)毫蜏囟认碌贸?;dT為溫度導(dǎo)熱系數(shù);dT2為平方溫度導(dǎo)熱系數(shù);T為溫度。
3.1.5 混入空氣
圖9 空氣釋放和氣穴形成過(guò)程Fig.9 Air release and cavitation formation process
空氣可以溶解也可以混入液體中,液體與氣體共存時(shí)通常會(huì)出現(xiàn)兩種情況:(1)氣體完全溶解,這種情況對(duì)液體的性質(zhì)沒有影響,壓縮性和黏度均不變化;(2)自由運(yùn)動(dòng)的空氣,混入液體中的自由運(yùn)動(dòng)的空氣泡會(huì)使液體的體積彈性模量和密度大大減小,同時(shí)也會(huì)在液壓系統(tǒng)中產(chǎn)生氣穴和氣蝕現(xiàn)象,其形成過(guò)程如圖9所示。
因此,在進(jìn)行液體仿真計(jì)算時(shí)需要考慮空氣的影響。為了實(shí)現(xiàn)這一要求,需要設(shè)定的參數(shù)是:(1)空氣含量的體積百分比;(2)SiC納米流體飽和壓力值。以上兩參數(shù)的數(shù)值是由AMEsim軟件的Media Property Assistant子模型通過(guò)相關(guān)流體屬性值計(jì)算得出。
流體的主要屬性如表1所示,其工作溫度范圍為5~55 ℃,工作壓力范圍為0~100 bar,參考?jí)毫Φ扔? bar,參考體積模量等于13 000 bar。
表1 SiC納米流體屬性特征值Table 1 SiC nanofluid attribute eigenvalues
基于AMEsim軟件建立對(duì)SiC納米流體的基本屬性進(jìn)行仿真研究,其模型建立主要包括:(1)根據(jù)測(cè)試計(jì)算所得出的SiC納米流體的屬性特征數(shù)據(jù),將其編譯到系統(tǒng)軟件中;(2)對(duì)完成好編譯的系統(tǒng)進(jìn)行參數(shù)的設(shè)定;(3)進(jìn)行仿真測(cè)試,繪制數(shù)據(jù)結(jié)果圖。
根據(jù)以上步驟在AMEsim熱液壓子系統(tǒng)中搭建的SiC納米流體屬性仿真模型如圖10所示。
圖10 流體屬性仿真模型
Fig.10 Fluid attribute simulation model
根據(jù)表1的SiC納米流體基本特性屬性數(shù)據(jù),應(yīng)用AMEsim軟件的Media Property Assistant模式建立SiC納米流體的物理模型,如圖11所示。
圖11 SiC納米流體的物理模型圖
Fig.11 Physical model diagram of SiC nanofluid
圖11所示的SiC納米流體的物理模型圖包含:(a)動(dòng)力粘度;(b)密度;(c)比熱比;(d)熱導(dǎo)率;(e)體積彈性模量;(f)熱膨脹系數(shù)。圖中的漸變色帶標(biāo)定了以上SiC納米流體特性由大到小的回歸函數(shù)值,從圖中可以得到SiC納米流體的物理模型是合理的,符合SiC納米流體的基本屬性特征。
基于以上SiC納米流體特性仿真模型的仿真實(shí)驗(yàn)研究,得出了以下SiC納米流體的仿真實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),為SiC納米流體作為功能型流體的應(yīng)用提供了準(zhǔn)確的理論實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。
圖12所示為應(yīng)用AMEsim軟件對(duì)SiC納米流體進(jìn)行屬性仿真的實(shí)驗(yàn)結(jié)果,圖12(a)所示為SiC納米流體分別在8~60 ℃的不同壓力條件下的密度線性變化情況,從圖中可以得出SiC納米流體的密度隨著溫度的升高在9‰范圍內(nèi)變化,隨著壓力的升高密度出現(xiàn)明顯增加。圖12(b)所示,SiC納米流體的運(yùn)動(dòng)黏度在常溫下為25 cSt,高溫和低溫情況運(yùn)動(dòng)黏度差距較大,黏溫特性變化顯著,而運(yùn)動(dòng)黏度隨壓力的變化不大,黏壓特性不明顯。圖12(c)所示,SiC納米流體的體積彈性模量在壓力在小于8 bar時(shí)變化極小,但此時(shí)壓力對(duì)體積彈性模量的影響較大。圖12(d)所示,SiC納米流體在不同溫度和壓力下均具有較高的熱導(dǎo)率,熱導(dǎo)率隨溫度升高而升高。圖12(e)所示,SiC納米流體在60 ℃時(shí)隨運(yùn)行時(shí)間的增加熱膨脹性有明顯的變化,此變化對(duì)SiC納米流體的黏度具有顯著的影響。圖12(f)所示,納米流體在60 ℃時(shí)的比熱隨運(yùn)行時(shí)間的增加出現(xiàn)顯著變化。
圖12 SiC納米流體的屬性仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果
Fig.12 SiC nanofluid property simulation experiment results
(1)CMC和CTMHB對(duì)水基SiC納米流體的分散效果優(yōu)于SLS、SDBS和PEG。
(2)采用膜處理水,分散劑CMC含量為1.0 mol/L,SiC納米顆粒粒徑為45 nm,機(jī)械攪拌時(shí)間為1 h,溫度逐漸升高的堿性環(huán)境可以得到分散穩(wěn)定性最優(yōu)的納米流體。
(3)SiC納米流體具有牛頓流體的普遍特性,但其熱導(dǎo)率遠(yuǎn)高于一般的流體,在功能流體散熱領(lǐng)域具有特殊的應(yīng)用價(jià)值。
(4)通過(guò)AMEsim的Media Property Assistant建立的SiC納米流體能夠有效反應(yīng)其流體屬性,其物理模型具備可靠性,對(duì)于將SiC納米流體作為功能流體應(yīng)用的系統(tǒng)模擬仿真十分重要。
(5)由實(shí)驗(yàn)仿真數(shù)據(jù)得出SiC納米流體的運(yùn)動(dòng)黏度在常溫下為25 cSt,黏溫特性變化顯著,黏壓特性不明顯,體積彈性模量在壓力小于8 bar時(shí)變化極小,但此時(shí)壓力對(duì)密度的影響較大,隨著壓力的升高密度出現(xiàn)明顯增加。