纳米颗粒的添加对提高润滑油传热性能的影响研究开题报告

1．目的及意义（含国内外的研究现状分析）

早在1995年，美国Argonne国家实验室的Choi等人提出了纳米流体这一新颖的概念。在现代工业领域和生活中，传热现象是十分常见的，如汽车内燃机的冷却系统、余热回收利用和电子设备的高传热强度等问题，传统的液体工质已经无法满足传热需求，热量传递问题也显得愈发重要。纳米流体的出现，立刻得到了学术界以及各行各业的广泛关注。纳米流体在汽车上也得到了广泛运用，其中气缸内的燃烧温度非常之高，润滑油的传热性能也受到极大的考验，已经有研究表明纳米润滑油可以强化传热、减少发动机的机械损失和提高燃油经济性等优点。经过了二十多年的研究发展，纳米流体的导热性能强这一特点已经被广为认可，但是纳米颗粒对提高流体传热性能的作用机理仍然需要深入研究。如今，对纳米流体的研究方向有一部分是纳米颗粒的组成、基液类型和颗粒体积浓度等因素对纳米流体的导热系数、粘度系数等热物性数据的影响探究。在本次毕业设计中，需要分析不同因素对纳米流体分散稳定性的影响机制，通过实验数据，比较纳米润滑油与基础油的导热系数大小；调整影响因素的参数，优化纳米润滑油的传热性能。

在国内，已经有越来越多的学者以及高等院校对纳米流体这一新技术进行了研究。毛大恒^[1]等人通过设计三种制备方法制备纳米WS₂润滑油进行比较，确定了强超声、球磨搅拌、表面活性剂的复合处理对纳米WS₂颗粒在润滑油中的分散稳定性效果最好，并分析了其在基础油中稳定分散的机理。万庆明^[2]等人对纳米MoS₂润滑油的摩擦学性能和传热性能进行了黏度测试、摩擦学性能测试、磨损表面分析、导热性能测试，得出了纳米MoS₂润滑油的性能均优于传统润滑油。张智奇^[3]等人采用平衡分子动力学模拟了Cu-Ar纳米流体，分析纳米颗粒对导热系数的影响，颗粒聚集对其导热性影响很大。钟桂健^[4]等人研究了在不同条件下，表面活性剂PVP和SDS对Cu-乙二醇纳米流体的导热系数影响，适当添加PVP表面活性剂可有效提高导热系数，添加SDS表面活性剂在一定范围内降低了导热系数。刘浩^[5]等人测试了纳米金刚石润滑油对发动机传热摩擦性能的影响，明确在实际使用情况下，可以降低发动机的机械损失功率、减小摩擦、强化传热。曾远娴^[6]等人用一步法制备了硬脂酸修饰的氧化铜（SA-CuO）纳米颗粒，SA-CuO纳米颗粒可以在石蜡油中长期稳定分散，石蜡油的导热系数也显著提高。重庆大学的杨鹏志^[7]使用分子动力学软件Materials Studio进行相关模拟工作，对不同类型的纳米流体模型模拟分析，表明基础液体微观结构的改变和纳米颗粒的微运动行为是纳米流体导热强化的主要微观机理。北京工业大学的刘冉^[8]研究了影响纳米流体的分散稳定性和导热系数的因素，打破粒子间的团聚作用，可以提高其稳定性；纳米颗粒粒径过小，在团聚作用下，纳米流体的导热系数会随粒径减小而降低。大连理工大学的张亮^[9]对纳米流体的动量传递做了主要研究分析，纳米颗粒对基础流体动量传递的强化是增大对流换热系数的主要原因。华北电力大学的李伽炜^[10]对Au-H₂O这类体积分数极低的纳米流体的导热系数进行了研究分析，结论是纳米金颗粒的布朗运动扰动了周围基液分子，形成微对流传热，导致导热系数增强；温度和颗粒体积分数的相互影响下，温度对纳米流体的影响更明显。

在国外，有更多的学者早于国内开始对纳米流体这一新技术进行研究，也对这方面的有了很多的研究成果。Min-Sheng Liu等^[11]对乙二醇基氧化铜纳米流体的导热系数进行研究，利用各种仪器对CuO纳米颗粒及其纳米流体进行检测，得出CuO纳米流体具有良好的有效传热应用潜力。Xiaoke Li等^[12]提出使用β-环糊精修饰碳纳米管的表面，使多壁碳纳米管纳米流体导热系数高、胶体稳定性好、粘度适中。YIN Xiang等^[12]对50-300℃范围内的传热油和纳米油的热物性数据进行测量，并用测量数据拟合导热系数和温度的关系，确定TiO₂纳米油的导热系数和导热系数的增加与纳米颗粒的粒径和质量分数的增加成正比，而导热系数与温度升高成反比且导热系数的增加受温度影响较小。Seok Pil Jang等^[14]早在2007年对传统传导理论不能解释纳米流体的热行为进行假设，提出并解释了新概念，报告了各种参数如纳米颗粒与基础流体的导热系数之比、体积分数、纳米颗粒大小和温度对纳米流体有效导热系数的影响。M.I. Pryazhnikov等^[15]在室温下对50多种基于水、乙二醇和发动机油的纳米流体进行导热系数的测量，明确表明，麦克斯韦理论不能描述纳米流体的热导率。纳米材料的导热系数与含有这些颗粒的纳米流体的导热系数之间没有直接的关系。Jonggan Hong等^[16]研究了团聚作用对氧化铝/水纳米流体的影响，最后发现，纳米流体表现出非牛顿行为，热导率与聚集程度有关，本研究获得的最大热导率增强为22%，远远小于Maxwell上限。

本次毕业设计将参考国内外的学者的研究文献，学习纳米流体的相关知识并设计出合理的实验，对提高纳米润滑油的传热性能的作用机制有进一步的认知和了解。

3.进度安排

4.阅读的参考文献不少于15篇（其中近五年外文文献不少于3篇）

[1] 毛大恒，刘阳，石琛. 超声球磨活化处理后纳米WS₂颗粒在基础润滑油中的分散稳定性及机理[J].机械工程材料，2013，（07）：53-57.

[2] 万庆明，金翼，丁玉龙. 纳米二硫化钼润滑油的摩擦学性能和传热行为研究[J]. 润滑与密封，2013，（06）：17-21.

[3] 张智奇，钱胜，王瑞金，等.纳米颗粒聚集形态对纳米流体导热系数的影响[J].物理学报，2019，（05）：161-170.

[4] 钟桂健，李龙，翟玉玲，等. 纳米流体导热系数的影响因素分析[J].工业加热，2018，（04）：20-24.

[5] 刘浩，白敏丽，吕续组，等. 纳米流体对发动机传热摩擦性能影响的试验研究[J].汽车工程，2015，（02）：139-144.

[6] 曾远娴，李佩芬，林婉仪，等. 亲油性纳米氧化铜的制备及其强化传热研究[J].浙江化工，2018，（08）：24-27.

[7] 杨鹏志. 纳米流体强化传热和流动特性的分子动力学模拟研究[D].重庆：重庆大学，2017.

[8] 刘冉. 纳米流体稳定性和导热系数测试及其流动与换热特性研究[D].北京：北京工业大学，2016.

[9] 张亮. 纳米流体强化热量与动量传递的实验研究[D].大连：大连理工大学，2014.

[10] 李伽炜. 纳米流体增强导热系数机理的探究[D].北京：华北电力大学，2016.

[11] Min-Sheng Liu, Mark Ching-Cheng Lin, I.-Te Huang, et al. Enhancement of Thermal Conductivity with CuO forNanofluids[J]. Chemical Engineering Technology, 2006, 29（1）：72-77.

[12] Xiaoke Li, WenjingChen, Changjun Zou. The stability, viscosity and thermal conductivity of carbonnanotubes nanofluids with high particleconcentration :A surface modificationapproach[J]. Powder Technology, 2020, 361:957-967.

[13] YIN Xiang, KOUGuang-xiao, XU Ai-xiang, et al. Effects of TiO₂ nanoparticles on thermal conductivity of heat transfer oil[J]. Journal of Central South University, 2019,（08）:2129-2135.

[14] SeokPil Jang, StephenU.S.Choi. Effects of Various Parameters onNanofluid Thermal Conductivity[J]. Journal of Heat Transfer, 2007, 129（5）：617-623.

[15] M.I.Pryazhnikov, A.V.Minakov, V.Ya. Rudyak, et al. Thermal conductivity measurements of nanofluids[J]. International Journal ofHeat and Mass Transfer.2017, 104：1275-1282.