臺灣博碩士論文加值系統

本論文完成粒子尺寸、粒子體積分率、粒子磁作用力及外加磁場梯度對磁性奈米流體懸滴輪廓與表面張力等界面性質之影響。主要目的在完成磁場作用下，磁性奈米流體懸滴界面性質之分析。首先，我們完成了水基磁性奈米流體之配製。接著，考慮受磁力作用之磁性奈米流體懸滴，藉由能量平衡定理完成Young-Laplace方程式之修正，利用正割法完成非線性方程式求解以預測懸滴輪廓。最後，透過數值預測與實驗觀察之比較，我們完成磁性奈米流體懸滴輪廓與表面張力等界面性質之分析。
針對磁性奈米流體懸滴輪廓分析部分，理論結果發現，在一磁場作用下，當粒子體積分率增加時，使得懸滴頸部內縮增加；粒子磁作用力強度越強，亦使得懸滴頸部內縮增加；當受一外加磁場梯度時，此內縮效應可進一步被放大；針對磁性奈米流體表面張力分析部分，實驗結果發現，當粒子尺寸較小時，表面張力隨粒子體積分率變化關係較為平緩；粒子磁作用力強度越強，亦使得表面張力隨粒子體積分率變化關係較為平緩；隨著磁場梯度強度增加，此平緩效應可進一步被放大。

This paper presents a study on the effects of particle size, particle volume fraction, particle magnetic interaction, and magnetic field gradient on pendant drop interfacial properties of magnetic nanofluids, including pendant drop profile and surface tension. The main purpose is to conduct an analysis of magnetic nanofluid interfacial properties under an applied magnetic field. First, we complete the preparation of water-based magnetic nanofluids. Then, considering the magnetic fluid drop in an applied magnetic field, we revise the Young-Laplace equation according to the energy balance principle and use the secant method to solve the nonlinear differential equation, so as to predict the pendant drop profile. Finally, comparing numerical predictions and experimental observations, we complete the analyses of pendant drop profile and surface tension of magnetic nanofluids.
For magnetic fluid pendant drop profile analysis, the theoretical results reveal that under an applied magnetic field, increasing the particle volume fraction leads to the enhanced contraction of pendant drop neck; increasing the magnetic interaction strength of nanoparticles also leads to the enhanced contraction. Such a contraction effect can be further magnified by applying a magnetic field gradient. As for magnetic nanofluid surface tension analysis, the experiment results reveal that a nanofluid with smaller particle size results in a more gradual variation of the surface tension with the particle volume fraction; increasing the magnetic interaction strength of nanoparticles also exhibits a more gradual variation. Such a gradualness effect can be further magnified by increasing the magnetic field gradient strength.

中文摘要 I
Abstract II
誌謝 III
目錄 IV
表目錄 VI
圖目錄 VII
符號說明 IX
第一章 緒論 1
1-1 研究背景 1
1-2 研究動機 3
1-3 論文結構 4
第二章 磁性奈米流體設計 5
2-1 奈米材料配製 5
2-2 體積分率測定 10
2-3 外加磁場設置 14
第三章 懸滴界面性質分析 21
3-1 統御方程式 21
3-2 研究方法 24
3-3 懸滴輪廓分析 27
3-4 懸滴表面張力分析 31
第四章 總結 38
4-1 結論 38
4-2 展望 40
參考文獻 41
附錄A Young-Laplace方程式 42
附錄B 主曲率半徑 46
附錄C 實驗設備 48
附錄D 實驗結果 50
自述 52
個人著作 53

表2-2.1 玻璃材質成分百分比 12
表2-3.1 h-I實驗與理論值比較 17
表2-3.2 h-z實驗與理論值比較 17
表D.1 不同粒子尺寸下，Fe3O4奈米流體表面張力 與磁場梯度 之變化結果 50
表D.2 不同粒子尺寸下，Fe奈米流體表面張力 與磁場梯度 之變化結果 51

圖2-1.1 Cu奈米粉體 7
圖2-1.2 Fe3O4奈米粉體 7
圖2-1.3 Fe奈米粉體 8
圖2-1.4 水基奈米流體 8
圖2-1.5 流體內粒子聚集或沉澱現象 9
圖2-2.1 同軸套管密度計 12
圖2-3.1 電磁感應裝置：(a)示意圖，(b)實體圖 18
圖2-3.2 電磁感應裝置之設置 19
圖2-3.3 h-I之實驗與理論結果比較 19
圖2-3.4 h-z之實驗與理論結果比較 20
圖3-1.1 懸滴外形之示意圖 23
圖3-3.1 不同 值下，懸滴輪廓之變化關係 28
圖3-3.2 不同 值下，懸滴輪廓之變化關係 28
圖3-3.3 不同 值下，懸滴輪廓在 及 N/m之關係變化 29
圖3-3.4 不同 值下，懸滴輪廓在 及 kg/m3之關係變化 29
圖3-3.5 不同 值下，懸滴輪廓在 及 A/m之關係變化 30
圖3-4.1 不同粒子尺寸下， Cu奈米流體表面張力 與體積分率 之變化關係 34
圖3-4.2 不同粒子尺寸下， Fe3O4奈米流體表面張力 與體積分率 之變化關係 34
圖3-4.3 不同粒子尺寸下，Fe奈米流體表面張力 與體積分率 之變化關係 35
圖3-4.4 不同粒子磁作用力下，奈米流體表面張力 與體積分率 之變化關係 35
圖3-4.5 外加與未外加磁場作用下， Fe3O4奈米流體表面張力 與體積分率 之變化關係 36
圖3-4.6 外加與未外加磁場作用下， Fe奈米流體表面張力 與體積分率 之變化關係 36
圖3-4.7 不同粒子尺寸下，Fe3O4奈米流體表面張力 與磁場梯度 之變化關係 37
圖3-4.8 不同粒子尺寸下，Fe奈米流體表面張力 與磁場梯度 之變化關係 37
圖A.1 流體元素之幾何參數示意圖 45
圖C.1 接觸角量測儀 48
圖C.2 超音波細胞粉碎儀 48
圖C.3 電子天平 49
圖C.4 直流電源供應器 49

Anuchkin, S. N., Burtsev, V. T., and Samokhin, A. V., 2011, “Interaction of refractory compound nanoparticles with a surfactant in a nickel melt：II. Surface tension and density,” Russian Metallurgy (Metally), 2011, 180–184.
Amin, M. S., Elborai, S., Lee, S. H., He, X. W., and Zahn, M., 2005, “Surface tension measurement techniques of magnetic fluids at an interface between different fluids using perpendicular field instability,” J. Appl. Phys., 97, 10R308.
Chen, R. H., Phuoc, T. X., and Martello, D., 2011, “Surface tension of evaporating nanofluid droplets,” Int. J. Heat and Mass. Transf., 54, 2459–2466.
Munshi, A. M., Singh, V. N., Kumar, M., and Singh, J. P., 2008, “Effect of nanoparticle size on sessile droplet contact angle,” J. Appl. Phys., 103, 084315.
Murshed, S. M., and de Castro, C. A., 2011, “Spreading characteristics of nanofluid droplets impacting onto a soild surface,” J. Nanosci. Nanotechnol., 11, 3427–3433.
Vafaei, S., Borca-Tasciuc, T., Podowski, M. Z., Purkayastha, A., Ramanath, G., and Ajayan, P. M., 2006, “Effect of nanoparticles on sessile droplet contact angle,” Nanotechnology, 17, 523–2572.
Vafaei, S., Purkayastha, A., Jain, A., Ramanath, G., and Borca-Tasciuc, T., 2009, “The effect of nanoparticles on the liquid-gas surface tension of Bi2Te3 nanofluids,” Nanotechnology, 20, 5702.