旋转方腔中TiO₂-水纳米流体的稳定性与自然对流：实验研究
摘要
本研究考察了在-45°、0°、45°和90°四个旋转角度下，TiO₂-水纳米流体在方形腔体中的稳定性及自然对流换热性能。通过添加6 wt%分散剂并将pH调节至8，实现了最佳稳定性，表现为最低透射率和最佳分散状态。实验变量包括纳米颗粒负载量（0.1–0.5 wt%）和加热功率（1–20 W）。结果显示：0°朝向产生最高的努塞尔数，其次为45°和90°，而-45°最低。传热随颗粒负载量和功率增加而增强，但由于粘度效应，相对增强幅度在高功率下有所下降。
研究背景
纳米流体凭借优异的热导率，成为自然对流换热应用的理想候选材料。尽管针对Al₂O₃-水、CuO-水和TiO₂-水体系的数值研究众多，但关于旋转腔体的实验数据仍显匮乏。本工作为TiO₂-水纳米流体在旋转条件下的对流换热提供了实证依据，填补了这一空白。
实验方法
制备与稳定性评估
采用两步法制备纳米流体：将约10 nm、片层状形貌的TiO₂纳米颗粒分散于去离子水中，经机械搅拌30分钟、超声处理40分钟。添加6 wt%分散剂并将pH调至8，获得最稳定悬浮液，经72小时静置沉淀极少，透射率最低值τ≈0.2。通过SEM、TEM和XRD表征颗粒尺寸分布，Scherrer法计算晶粒尺寸为6–9 nm。
实验装置
构建三个矩形腔体（宽×高：10×20 cm、5×20 cm、20×20 cm），材质为铜，左壁为加热面（硅胶加热片），右壁为冷却面（水浴）。六根热电偶测量壁面温度，流量计量化热损失。装置可绕重力方向旋转，实现-45°、0°、45°、90°四个角度测试。
数据处理
关键计算公式：
- 热输入：Q = UI
- 净功率：Q_net = Q – Q_loss
- 热侧平均温度：T_h* = (T₁+…+T₆)/6
- 有效热侧温度：T_h = T_h* – Q_net·δ/(A·λ_w)
- 对流换热系数：h = Q_net/[A(T_h–T_c)]
- 努塞尔数：Nu = h·W/λ_f
不确定度分析显示h为5.65%，Nu为6.34%，确认实验可靠性。
结果与讨论
验证
纯水的努塞尔数与文献值吻合，误差<9%（长宽比A=1:2、1:4、1:1），验证系统准确性。
长宽比 A = 1:2
Nu随旋转角度增加至0°而升高，随后在45°和90°下降。-45°时Nu最低，因浮力受限。颗粒负载量从0.1增至0.5 wt%时，1 W下Nu提升达29%，但20 W时相对增益因粘度上升而减弱。加热功率从1增至20 W使Nu放大高达581%（0.5 wt%、0°）。
长宽比 A = 1:4
趋势与A=1:2相似，但绝对Nu值更低。0.5 wt%、0°下增强比从1 W的6.5%增至5 W的20.7%。功率1→20 W带来的传热增益为242–702%。
长宽比对比
Nu随长宽比增大而升高：A=1:1 > A=1:2 > A=1:4。最佳配置（A=1:1、0°、20 W）下，0.5 wt%纳米流体Nu比纯水高达701%。0.1→0.3 wt%的增强比0.3→0.5 wt%更显著，反映热导率与粘度的平衡。
结论
- 6 wt%分散剂、pH 8条件下稳定性最佳。
- 0°旋转角产生最高Nu，-45°最低。
- 更大长宽比显著提升换热（最高增强224%）。
- Nu随颗粒负载量增加，但高功率下相对收益递减。
- 总体Nu可比纯水提升高达701%。
纳米材料
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