声悬浮条件下纳米流体液滴的过冷度抑制及快速成核机理

Heterogeneous nucleation and subcooling degree diminution resulted from ultrasonic cavitation and nucleating agents are important research areas in ice storage application, and reducing subcooling degree of the ice storage materials and improving their nucleation rate are attractive targets for researchers all the while. Nanofluids, a newly prepared heat transfer fluid in which graphene oxide nanoparticles are uniformly and stably dispersed in deionized water, is used as ice storage material.Experiments will be conducted to measure subcooling degree of a small nanofluids droplet which is levitated in acoustic levitation device built-in refrigeration system. According to the subccooling degree distributions，the nucleation rate of the nanofluids droplet will be analyzed with a statistical method. In order to investigate the rapid nucleation mechanism of the nanofluids droplet under acoustic levitation, we will analyze the surface nucleation mechanism of ultrasonic cavitation, surface and bulk heterogeneous nucleation of nanoparticles and deformation of the nanofluids droplet and the complex flow characteristics inside it.Research of this project has very important academic value for understanding the factors influencing subcooling degree, and also has important significance on developing ice making technology and utilizing energy-efficient ice storage materials in HVACR fields.

在超声波和成核剂诱发下的异质成核和过冷度抑制是冰蓄冷领域的一个重要研究方向，降低冰蓄冷材料的过冷度和提高成核速度一直是研究人员努力的目标。本项目以"纳米流体液滴"（去离子水为基液，氧化石墨烯纳米粒子为分散相，也是成核剂）为研究对象，以"声悬浮"技术为实验手段，将微小的"纳米流体液滴"悬浮在超声场中，研究超声波和纳米粒子叠加作用下液滴过冷度的抑制情况及过冷度分布规律，并采用统计方法计算纳米流体的成核率。通过理论分析超声空化的表面成核机制、纳米粒子作用下的"表面异质成核"、"体积异质成核"以及液滴的变形及其内部的复杂流动特征，阐明声悬浮场中超声波和纳米粒子叠加作用下纳米流体液滴的快速成核机理，揭示纳米流体液滴的过冷度得到抑制的本质原因。本课题的研究对深入认识冰蓄冷材料过冷度的影响因素具有十分重要的学术价值，也为快速制冰和开发利用高效节能的冰蓄冷材料奠定理论基础。

降低冰蓄冷材料的过冷度和提高成核结晶速度一直是研究人员努力的目标。本项目以声悬浮为实验手段，研究在超声波和纳米粒子叠加作用下氧化石墨烯纳米流体液滴过冷度的大小、过冷度分布规律及其成核机理。主要研究结果如下：.（1）对去离子水和浓度为10mg/100ml、20mg/100ml、30mg/100ml和50mg/100ml的氧化石墨烯纳米流体分别进行了500组实验，获得了其过冷度分布规律，氧化石墨烯纳米流体的过冷度随着超声波功率的增加而减少，过冷度随着浓度的增加先减小后增加。利用经典成核理论分析了水在氧化石墨烯薄片表面的成核条件,获得了氧化石墨烯纳米流体的成核率。.（2）基于超声空化理论的分析表明，不同过冷度下空化气泡瞬态崩溃产生的高压值分别为2.44GPa、3.43Gpa、4.35GPa，在高压下液滴内会产生强烈的冲击波或高速射流，从而增大纳米粒子的表面能。根据Clausius-Clapeyron方程计算了高压值对应的局部过冷度分别为33K、46K与58K，均远大于实验测量的过冷度，增加了成核结晶的驱动力，有利于液体提前成核。另外，带有气泡间隙的纳米粒子或粒子团，可形成空化核，进一步强化了超声空化作用；同时带有高能量的粒子会为晶胚提供成核功，促进晶体在纳米颗粒表面的成核结晶，这些均有利于过冷度的降低。这表明声悬浮条件下，液滴表面异质成核和体积异质成核均存在。.（3）从导致液滴形变的因素--声压幅值和液滴旋转两方面分析了液滴形变和过冷度的关系。结果表明，较圆液滴的过冷度比较扁液滴大，原因是较圆液滴的声压阈值比较扁液滴的声压阈值大，同样状态下的空化气泡在较圆液滴中生长更为困难，液滴中异质成核的成核点也就更少；同时较圆液滴的旋转角速度较小，液滴内外动能差所提供的成核所需能量较小，成核更为困难，因此较圆液滴的过冷度较大。 .掌握氧化石墨烯纳米流体的过冷特性和成核机理，在冰蓄冷和快速制冰行业具有重要的科学意义和实用价值。