본 연구에서는 다양한 형상의 나노입자를 분산시킨 알루미나나노유체의 유동 특성을 실험적으로 조사하기 위하여 나노입자의 형상 변화에 따른 알루미나 나노유체의 압력강하를 층류영역에서 측정하였다. 이를 위해 Sphere, Rod, Platelet, 그리고 Brick 의 형태를 갖는 알루미나 나노입자를 물에 분산시켜 부피비 0.3%를 갖도록 Two-step 방법으로 제작하였다. 제작된 나노유체의 분산성을 파악하기 위하여 제타포텐셜을 조사하였으며, 나노입자의 형상을 파악하기 위하여 TEM 사진을 측정하였다. 다양한 형상의 나노입자를 분산시켜 0.3%의 부피비를 갖는 나노유체의 압력강하를 측정하였을 때, 입자 형상이 나노유체의 유동특성에 영향을 미치는 것을 확인하였다. 실험 결과를 바탕으로 나노입자의 단위질량당 표면적과 분산된 나노입자의 크기를 이용하여 나노유체의 압력강하 특성을 설명하였다.
본 연구에서는 다양한 형상의 나노입자를 분산시킨 알루미나 나노유체의 유동 특성을 실험적으로 조사하기 위하여 나노입자의 형상 변화에 따른 알루미나 나노유체의 압력강하를 층류영역에서 측정하였다. 이를 위해 Sphere, Rod, Platelet, 그리고 Brick 의 형태를 갖는 알루미나 나노입자를 물에 분산시켜 부피비 0.3%를 갖도록 Two-step 방법으로 제작하였다. 제작된 나노유체의 분산성을 파악하기 위하여 제타포텐셜을 조사하였으며, 나노입자의 형상을 파악하기 위하여 TEM 사진을 측정하였다. 다양한 형상의 나노입자를 분산시켜 0.3%의 부피비를 갖는 나노유체의 압력강하를 측정하였을 때, 입자 형상이 나노유체의 유동특성에 영향을 미치는 것을 확인하였다. 실험 결과를 바탕으로 나노입자의 단위질량당 표면적과 분산된 나노입자의 크기를 이용하여 나노유체의 압력강하 특성을 설명하였다.
To study the flow characteristics of water-based $Al_2O_3$ nanofluids according to the shape of the nanoparticles, we measure the pressure drop in a fully developed laminar flow regime. Water-based $Al_2O_3$ nanofluids of 0.3 Vol.% with sphere-, rod-, platelet-, and brick-shape...
To study the flow characteristics of water-based $Al_2O_3$ nanofluids according to the shape of the nanoparticles, we measure the pressure drop in a fully developed laminar flow regime. Water-based $Al_2O_3$ nanofluids of 0.3 Vol.% with sphere-, rod-, platelet-, and brick-shaped nanoparticles are manufactured by the two-step method. Zeta potential is measured to examine the suspension and dispersion characteristics, and TEM image is considered to confirm the shape characteristics of the nanoparticles. The experimental results show that the pressure drop of $Al_2O_3$ nanofluids depends on the shape of the nanoparticles although the nanofluids has same volume fraction of nanoparticles. This is explained by the surface area per unit mass of the nanoparticles and the size of the nanoparticles suspended in the base fluids.
To study the flow characteristics of water-based $Al_2O_3$ nanofluids according to the shape of the nanoparticles, we measure the pressure drop in a fully developed laminar flow regime. Water-based $Al_2O_3$ nanofluids of 0.3 Vol.% with sphere-, rod-, platelet-, and brick-shaped nanoparticles are manufactured by the two-step method. Zeta potential is measured to examine the suspension and dispersion characteristics, and TEM image is considered to confirm the shape characteristics of the nanoparticles. The experimental results show that the pressure drop of $Al_2O_3$ nanofluids depends on the shape of the nanoparticles although the nanofluids has same volume fraction of nanoparticles. This is explained by the surface area per unit mass of the nanoparticles and the size of the nanoparticles suspended in the base fluids.
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문제 정의
따라서 본 연구에서는 나노입자 형상 변화에 따른 나노유체의 유동 특성을 실험적으로 분석하고자 한다. 이를 위해 Sphere, Rod, Platelet, 그리고 Brick 의 형태를 갖는 알루미나 나노입자를 물에 분산시켜 부피비 0.
본 연구에서는 다양한 형상의 나노입자를 분산 시킨 알루미나 나노유체의 유동 특성을 실험적으로 조사하기 위하여 나노입자의 형상 변화에 따른 완전발달된 층류영역에서 알루미나 나노유체의 압력강하를 측정하였다. 이를 위해 Sphere, Rod, Platelet, 그리고 Brick 의 형태를 갖는 알루미나 나노입자를 물에 분산시켜 부피비 0.
본 연구에서는 원형관을 따라 흐르는 나노유체의 유동 특성을 조사하기 위하여 나노입자의 형상 변화에 따른 알루미나 나노유체의 압력강하를 측정하였다. Fig.
가설 설정
실험장치의 정확성을 검증하기 위하여, 알루미나 나노유체의 압력 강하 측정 실험 전에 물을 이용하여 압력 강하를 측정하였다. 압력 강하 측정 실험 결과는 원형 관내 완전 발달된 층류 유동 가정으로 해석되었다. 그 이유는 Reynolds 수가 600이내 이며 Entry Length가 관내 전체 길이의 최대 2% 이하이기 때문이다.
제안 방법
3%를 갖도록 Two-step 방법으로 제작하였다.(19) 또한, 제작된 나노유체의 분산 성을 파악하기 위하여 제타포텐셜을 조사하였으며, 나노입자의 형상을 파악하기 위하여 TEM 사진을 측정하였다. 실험 결과를 바탕으로 다양한 형상의 나노입자를 포함한 나노유체의 압력 강하 특성을 설명하기 위하여 나노입자의 단위 질량당 표면적을 나타내는 BET 실험 결과 및 Particle Size Analysis 를 이용한 분산된 입자크기를 고려하였다.
4ml/min ~ 21ml/min까지 조절할 수 있는 ColeParmer사의 Masterflex HV-77921-40을 사용하였다. Test Section에서 앞단과 뒷단의 압력 강하는 VALIDYNE 사의 차압계인 DP10-34와 CD23 Digital Indicator를 사용하여 측정하였다. DP10-34의 정확도는 ±0.
4와 같이 실험 장치를 구성하였다. 나노유체의 유동은 펌핑 시스템을 이용하였으며 펌핑 시스템의 미소맥동이 원형관의 유동 현상에 미치는 영향을 최소화하기 위하여 관에서 펌프로 이어지는 튜브의 길이를 충분히 길게 설계하였으며, 길이는 약 10 미터로 제작되었다. 펌프는 관 내부에 흐르는 유량을 0.
나노유체의 점성 계수는 Brookfield 사의 LVDV-Ⅲ Ultra+ Rheometer 를 이용하여 측정하였다. 점도계는 유체에 잠겨있는 스핀들(Spindle)이 회전하기 위해 필요한 전단응력(Torque)을 측정하여 점성 계수를 구하며 ±1.
위의 결과는 완전 발단된 층류영역에서 나노유체의 압력강하가 나노유체 속에 분산된 나노입자의 단위 질량당 표면적이 증가할수록 커진다는 것을 보여준다. 동일 부피비에서 나노입자의 표면적은 식 (3)과 같이 입자의 크기에 반비례하기 때문에 유체 속에 분산된 나노입자의 크기를 측정해 보았다.
또한 제작된 나노유체의 분산성을 확인하기 위하여 Malvern Instrument 사의 Zetasizer Nano ZS 를 이용하여 제타포텐셜을 측정하였으며, Fig. 2 에서 보이듯이 50mV 이상으로 나타났다. 일반적으로 제타포텐셜의 크기가 60mV 이상이면 완벽한 분산을 의미하며, 30mV 이상이면 물리적으로 분산된 상태를 의미하기 때문에(20) 본 연구에 사용된 나노유체는 분산성이 매우 우수한 것을 보여준다.
(19) 또한, 제작된 나노유체의 분산 성을 파악하기 위하여 제타포텐셜을 조사하였으며, 나노입자의 형상을 파악하기 위하여 TEM 사진을 측정하였다. 실험 결과를 바탕으로 다양한 형상의 나노입자를 포함한 나노유체의 압력 강하 특성을 설명하기 위하여 나노입자의 단위 질량당 표면적을 나타내는 BET 실험 결과 및 Particle Size Analysis 를 이용한 분산된 입자크기를 고려하였다.
실험장치의 정확성을 검증하기 위하여, 알루미나 나노유체의 압력 강하 측정 실험 전에 물을 이용하여 압력 강하를 측정하였다. 압력 강하 측정 실험 결과는 원형 관내 완전 발달된 층류 유동 가정으로 해석되었다.
3%를 갖도록 Two-step 방법으로 제작하였다. 제작된 나노유체의 분산성을 파악하기 위하여 제타포텐셜을 조사하여 분산성이 우수함을 보여 주었고, 나노입자의 형상을 파악하기 위하여 TEM 사진을 측정하였다.
대상 데이터
나노유체의 유동은 펌핑 시스템을 이용하였으며 펌핑 시스템의 미소맥동이 원형관의 유동 현상에 미치는 영향을 최소화하기 위하여 관에서 펌프로 이어지는 튜브의 길이를 충분히 길게 설계하였으며, 길이는 약 10 미터로 제작되었다. 펌프는 관 내부에 흐르는 유량을 0.4ml/min ~ 21ml/min까지 조절할 수 있는 ColeParmer사의 Masterflex HV-77921-40을 사용하였다. Test Section에서 앞단과 뒷단의 압력 강하는 VALIDYNE 사의 차압계인 DP10-34와 CD23 Digital Indicator를 사용하여 측정하였다.
이론/모형
이러한 현상은 동일 부피비에서 나노입자의 단위 질량당 표면적을 측정하여 그 결과를 바탕으로 설명 될 수 있다. 나노입자의 단위 질량당 표면적은 Micrometritics 사의 Tristar 3000 을 이용하여 측정하였으며, Table 1 에 나타내었다. Table 1 에서 보이듯이 Rod 형상의 나노입자가 단위 질량당 가장 넓은 표면적을 나타내는 반면 Sphere 와 Brick 형상의 나노입자가 단위 질량당 가장 작은 표면적을 보여준다.
는 동일 부피비에서 나노입자의 표면적이고, r 은 입자의 반경이다. 나노입자의 크기는 Malvern Instrument 사의 Zetasizer Nano ZS 를 이용하여 측정하였으며, Table 2 에 나타내었다. 측정 결과 Rod 형상의 나노입자 크기가 가장 작았고, Sphere 와 Brick 형상의 나노입자 크기는 가장 크게 나타났다.
본 연구에서 사용된 나노유체는 DI Water 를 기본 유체로 하여 나노입자의 부피비가 0.3%가 되도록 분산시킨 후, 입자가 잘 분산되도록 초음파 에너지를 5 시간 동안 가해주는 Two-step 방법이 사용되었다.(19) 본 연구에 사용된 나노입자는 Sphere, Rod, Platelet, 그리고 Brick 형태의 다양한 형상을 갖는다.
따라서 본 연구에서는 나노입자 형상 변화에 따른 나노유체의 유동 특성을 실험적으로 분석하고자 한다. 이를 위해 Sphere, Rod, Platelet, 그리고 Brick 의 형태를 갖는 알루미나 나노입자를 물에 분산시켜 부피비 0.3%를 갖도록 Two-step 방법으로 제작하였다.(19) 또한, 제작된 나노유체의 분산 성을 파악하기 위하여 제타포텐셜을 조사하였으며, 나노입자의 형상을 파악하기 위하여 TEM 사진을 측정하였다.
성능/효과
2% 증가하였다. Sphere 형상의 나노입자를 분산시킨 나노유체의 경우 기존의 연구결과(11~13,17)와 동일하나, Rod 형상의 나노입자를 분산시킨 나노유체의 경우 기존 이론식에 의해 예측 할 수 없고 압력강하가 이론식 보다 증가하는 것을 확인하였다. 실험 결과를 바탕으로 동일 나노입자 부피비를 가지는 나노유체에서 단위질량당 표면적이 큰 나노입자가 포함된 나노유체의 압력강하가 단위질량당 표면적이 작은 나노입자가 포함된 나노유체의 압력강하보다 훨씬 크다는 사실을 BET 결과를 이용하여 확인하였다.
6 은 나노입자의 형상 변화에 따른 알루미나 나노유체의 압력 강하를 나타낸다. Sphere, Rod, Platelet, 그리고 Brick 형태의 다양한 형상의 나노입자를 분산시킨 나노유체의 압력강하는 물과 비교하였을 때, 각각 1.44%, 5.29%, 2.6%, 그리고 1.2% 증가하였다. 즉, 실험 결과는 나노입자의 형상에 따라 압력 강하가 다르게 나타났으며 부피비 0.
일반적으로 제타포텐셜의 크기가 60mV 이상이면 완벽한 분산을 의미하며, 30mV 이상이면 물리적으로 분산된 상태를 의미하기 때문에(20) 본 연구에 사용된 나노유체는 분산성이 매우 우수한 것을 보여준다. 그리고 제타포텐셜은 pH 의 의존성이 강해서(21) 본 연구에 사용된 알루미나 나노유체의 pH 를 측정 하였고, Sphere, Rod, Platelet, 그리고 Brick 형상의 나노입자를 분산시킨 나노유체의 pH 는 각각 4.76, 5.71, 5.62, 그리고 5.76 의 약 산성이다.
따라서 동일 부피비를 갖는 나노입자 전체에 의해 발생되는 유동저항은 입자의 크기가 작을수록 표면적이 넓을수록 증가하게 되고 이에 따라 나노유체의 압력강하가 증가하게 되는 것을 확인할 수 있었다. 이와 같은 결과는 식 (10)에 실험 상수, a = 2.
실험 결과를 바탕으로 동일 나노입자 부피비를 가지는 나노유체에서 단위질량당 표면적이 큰 나노입자가 포함된 나노유체의 압력강하가 단위질량당 표면적이 작은 나노입자가 포함된 나노유체의 압력강하보다 훨씬 크다는 사실을 BET 결과를 이용하여 확인하였다. 또한, Particle Size Analysis 를 이용하여 측정된 입자크기가 작을수록 동일 부피비에서 표면적이 증가하여 압력강하가 증가하는 것을 보여주었다. 이런 이유는 나노입자와 유체의 Slip 현상으로 인해 나노입자 자체에 의해 발생되는 유동저항이 나노유체의 전체 압력 강하 특성에 영향을 미치기 때문임을 확인하였다.
3%로 분산시킨 나노유체의 점성계수를 보여준다. 모든 나노유체의 점성계수는 기본 유체인 물과 비슷한 값을 나타내어 점성계수의 큰 증가가 없다는 것을 확인 하였다.
는 각각 측정불확도, 계측기기가 가지는 오차, 그리고 95% 신뢰구간에서의 측정 오차이다. 본 연구에서 측정한 압력 강하의 불확도는 차압계와 차압계 Calibrator 의 계측기가 가지는 오차와 압력 강하 측정의 오차를 이용하여 계산하였으며, 약 1.01%이다.
Sphere 형상의 나노입자를 분산시킨 나노유체의 경우 기존의 연구결과(11~13,17)와 동일하나, Rod 형상의 나노입자를 분산시킨 나노유체의 경우 기존 이론식에 의해 예측 할 수 없고 압력강하가 이론식 보다 증가하는 것을 확인하였다. 실험 결과를 바탕으로 동일 나노입자 부피비를 가지는 나노유체에서 단위질량당 표면적이 큰 나노입자가 포함된 나노유체의 압력강하가 단위질량당 표면적이 작은 나노입자가 포함된 나노유체의 압력강하보다 훨씬 크다는 사실을 BET 결과를 이용하여 확인하였다. 또한, Particle Size Analysis 를 이용하여 측정된 입자크기가 작을수록 동일 부피비에서 표면적이 증가하여 압력강하가 증가하는 것을 보여주었다.
7 에서 보이는 것과 같이 입자의 크기 변화에 따른 압력강하의 증가량을 나타낼 수 있다. 실험 장치의 불확도인 1.01% 내에서 실험결과와 식 (10)에 의해 예측된 결과가 일치하는 것을 확인하였고, 완전 발달된 층류영역에서 점성계수가 일정할 때 나노입자의 크기가 작을수록 압력강하가 증가하는 것을 직접적으로 보여주었다.
3%에서 Rod 형상의 나노입자를 분산시킨 나노유체의 압력강하가 가장 높게 측정되었고, Sphere 와 Brick 형상의 나노입자를 갖는 나노유체는 기본 유체와 유사하게 측정되었다. 여기서 Sphere 형상의 나노입자를 분산시킨 나노유체의 압력강하 결과는 기존의 연구결과(11~13,17)와 같으나 Rod 형상의 나노입자를 분산시킨 나노유체의 경우는 기존 이론식보다 높게 측정됨을 확인하였다. 이러한 현상은 동일 부피비에서 나노입자의 단위 질량당 표면적을 측정하여 그 결과를 바탕으로 설명 될 수 있다.
Table 1 에서 보이듯이 Rod 형상의 나노입자가 단위 질량당 가장 넓은 표면적을 나타내는 반면 Sphere 와 Brick 형상의 나노입자가 단위 질량당 가장 작은 표면적을 보여준다. 위의 결과는 완전 발단된 층류영역에서 나노유체의 압력강하가 나노유체 속에 분산된 나노입자의 단위 질량당 표면적이 증가할수록 커진다는 것을 보여준다. 동일 부피비에서 나노입자의 표면적은 식 (3)과 같이 입자의 크기에 반비례하기 때문에 유체 속에 분산된 나노입자의 크기를 측정해 보았다.
2% 증가하였다. 즉, 실험 결과는 나노입자의 형상에 따라 압력 강하가 다르게 나타났으며 부피비 0.3%에서 Rod 형상의 나노입자를 분산시킨 나노유체의 압력강하가 가장 높게 측정되었고, Sphere 와 Brick 형상의 나노입자를 갖는 나노유체는 기본 유체와 유사하게 측정되었다. 여기서 Sphere 형상의 나노입자를 분산시킨 나노유체의 압력강하 결과는 기존의 연구결과(11~13,17)와 같으나 Rod 형상의 나노입자를 분산시킨 나노유체의 경우는 기존 이론식보다 높게 측정됨을 확인하였다.
(1~16) 실험적으로 발견된 나노 유체의 대표적인 열적 특성은 크게 두가지로 제시할 수 있다. 첫 번째는 일반유체의 부피에 대한 소량의 부피비(1 Vol. % 미만)를 가지는 나노입자를 일반유체에 첨가하더라도 나노유체의 열전도도가 일반유체에 비해 10% 정도 향상된다는 것이다.(1~7) 두 번째 특징은 동일 부피비에서 나노유체의 대류 열전달 계수 상승폭이 나노유체의 열전도도 상승폭보다 더 크다는 것이다.
나노입자의 크기는 Malvern Instrument 사의 Zetasizer Nano ZS 를 이용하여 측정하였으며, Table 2 에 나타내었다. 측정 결과 Rod 형상의 나노입자 크기가 가장 작았고, Sphere 와 Brick 형상의 나노입자 크기는 가장 크게 나타났다. 이는 완전 발달된 층류영역에서 나노유체의 압력강하가 동일 부피비에서 나노입자의 크기가 작아 표면적이 넓을수록 증가한다는 것을 보여준다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
나노유체로 주로 제작하는 것은 무엇인가?
나노유체란 일반유체에 나노입자(금속, 비금속) 또는 나노 크기의 Fiber 를 분산(Dispersion), 부유 (Suspension) 시켜 제작한 유체이다. (1) 나노유체로 주로 제작되는 것은 Al2O3 + Water, Al2O3 + EG, CuO + Water, CuO + EG, Cu + EG, 그리고 CNT + Oil 등이 있다. (1~7) 이러한 나노유체는 기존의 수 밀리미터에서 수 마이크로미터 크기의 입자를 첨가한 유체의 열적 특성과는 전혀 다른 특성을 나타내는 것으로 보고되고 있다.
실험적으로 발견된 나노 유체의 대표적인 열적 특성은 무엇이 있는가?
(1~16) 실험적으로 발견된 나노 유체의 대표적인 열적 특성은 크게 두가지로 제시할 수 있다. 첫 번째는 일반유체의 부피에 대한 소량의 부피비(1 Vol. % 미만)를 가지는 나노입자를 일반유체에 첨가하더라도 나노유체의 열전도도가 일반유체에 비해 10% 정도 향상된다는 것이다. (1~7) 두 번째 특징은 동일 부피비에서 나노유체의 대류 열전달 계수 상승폭이 나노유체의 열전도도 상승폭보다 더 크다는 것이다. (8~16) 이와 같은 나노유체를 실제로 열 수송 유체로 사용하기 위해서는 나노유체의 우수한 열적 상승뿐만 아니라 나노유체의 유동 저항인 압력강하도 함께 고려되어야 한다.
나노유체란 무엇인가?
나노유체란 일반유체에 나노입자(금속, 비금속) 또는 나노 크기의 Fiber 를 분산(Dispersion), 부유 (Suspension) 시켜 제작한 유체이다. (1) 나노유체로 주로 제작되는 것은 Al2O3 + Water, Al2O3 + EG, CuO + Water, CuO + EG, Cu + EG, 그리고 CNT + Oil 등이 있다.
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