纳米流体与新型翅片几何结构协同提升无人机冷却系统热传输效能的实验研究

本研究针对无人机(UAV)冷却系统在关键飞行阶段热效率下降的难题，创新性地将Al2O3/ZnO/CuO纳米流体(0.3%体积浓度)与三种新型百叶窗式翅片结构(Radiator-F1/F2/F3)相结合。实验表明，CuO纳米流体在Radiator-F1中实现38.58%的传热提升，同时ZnO纳米流体的导热系数增幅达18.31%。该研究为无人机轻量化设计和续航能力提升提供了突破性解决方案。

　　

随着无人机(UAV)在军事侦察、灾害监测等关键领域的广泛应用，其冷却系统在极端工况下的热管理失效问题日益凸显。传统冷却方案面临两大瓶颈：一是纯水冷却剂导热效率有限，二是标准平板翅片(Radiator-S)对流换热能力不足。当无人机执行紧急爬升或高温环境任务时，冷却系统超温可能导致发动机性能骤降，甚至引发热失控。更严峻的是，每增加1克冷却系统重量，无人机续航时间就减少约17秒——这对需要携带侦查设备或救灾物资的飞行任务构成致命限制。

来自国内某研究机构的Abdulsamed Güne?、Beytullah Erdo?an团队在《Engineering Science and Technology, an International Journal》发表的研究，开创性地将纳米流体技术与翅片几何优化相结合。研究人员选取三种金属氧化物纳米颗粒(Al₂O₃/ZnO/CuO)制备0.3%体积浓度的纳米流体，同时设计出Radiator-F1/F2/F3三种百叶窗式翅片结构。通过构建包含风速调节风洞(8-12 m/s)和精密流量控制(20-22 L/min)的实验系统，在70°C入口温度下进行对比测试。

关键技术方法包括：采用两步法制备纳米流体，通过超声均质处理(500W/20kHz)确保分散稳定性；使用KD2 Pro热导仪(±5%)和Fungilab Smart L粘度计(±2%)测量流体特性；建立包含10个铝制流道(1.6×32mm)的测试平台，同步采集温度/压力/流量数据；基于布朗运动(Brownian Motion)理论分析纳米流体强化传热机制。

热传输性能突破
在标准Radiator-S中，CuO纳米流体使传热量从9.02kW提升至11.18kW，增幅达27%。而新型Radiator-F1展现出更显著的协同效应：使用纯水时传热效率已比标准型号高23.28%，配合CuO纳米流体后总增幅达38.58%。值得注意的是，ZnO纳米流体虽传热增幅(27.94%)稍逊，但其18.31%的导热系数提升为三者最高，且粘度仅增加8.78%，显示其在流动阻力与传热间的优越平衡。

翅片结构优化机制
通过对比四种翅片结构发现：Radiator-F1的波浪形翅片设计使空气湍流度提高35%，有效破坏热边界层；Radiator-F2的错列翅片排列将换热面积扩大22%；而Radiator-F3的穿孔结构虽减轻重量15%，但传热性能相对最低。实验数据揭示，翅片效率(η_f)与努塞尔数(Nu)呈正相关，其中Radiator-F1在12m/s风速下Nu数达41.7，较标准型号提升41%。

流体特性影响规律
纳米流体的强化传热呈现浓度-性能非线性特征：0.3%体积浓度下，Al₂O₃纳米流体粘度增加16.76%，但热导率仅提升11.85%，显示过高粘度可能抵消导热优势。对比不同纳米粒子，CuO虽导热系数(33W/mK)最低，但其小粒径(40nm)增强的布朗运动使对流传热系数(h)提高最显著。研究还发现，ZnO纳米流体在70°C时稳定性达72小时，远超Al₂O₃的48小时。

该研究通过实验验证了"纳米流体-翅片协同"策略的可行性：采用Radiator-F1+CuO纳米流体组合，可使无人机冷却系统体积缩小28%，相应减轻的重量可延长续航时间12%或增加有效载荷1.3kg。这一突破不仅解决了无人机热管理的核心难题，其揭示的"几何-流体协同优化"原则更为电动汽车、航天器等领域的紧凑型散热设计提供了新范式。研究团队特别指出，未来需重点考察纳米流体在振动、高G值等极端工况下的长期稳定性，这将是实现工程应用的关键突破点。