納米流體熱物理和泳輸運(yùn)特性理論研究.pdf

1、把金屬或非金屬納米顆粒分散到水、乙二醇、油等基質(zhì)溶劑中形成分散性好、穩(wěn)定性高、導(dǎo)熱性強(qiáng)的懸浮液，稱為納米流體。作為新興的前沿學(xué)科領(lǐng)域，納米流體是納米技術(shù)在熱能工程這一傳統(tǒng)領(lǐng)域的創(chuàng)新性應(yīng)用研究，由于其顯著增強(qiáng)的導(dǎo)熱性能而被視為“未來冷卻劑”，其在能源、化工、汽車、建筑、微電子、信息、醫(yī)療等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景和潛在的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。近年來，在研究納米流體強(qiáng)化傳熱的同時(shí)，研究人員開始關(guān)注基于磁場、熱泳、光泳操控微納米流體的研究。
　　本文

2、主要圍繞納米流體的熱物理特性，泳輸運(yùn)特性展開研究，主要考慮磁場效應(yīng)，各向異性、尺寸效應(yīng)、界面殼層、界面熱阻等方面因素，對(duì)磁納米流體的熱物理特性，顆粒尺寸依賴的熱泳特性、顆粒物性依賴的光泳特性進(jìn)行了研究，主要工作如下：
　　在磁場作用下，磁納米流體具有各向異性、可調(diào)熱物理特性，針對(duì)這一實(shí)驗(yàn)結(jié)論，我們建立了各向異性磁納米流體熱物理特性的研究模型。磁納米流體既具有流體性質(zhì)，又具有磁性材料性質(zhì)，是一種特殊的新型功能材料，我們考慮幾何各向異

3、性和物理各向異性，采用自洽各向異性有效媒質(zhì)理論來研究體系熱導(dǎo)率的各向異性顯著增強(qiáng)行為。幾何各向異性源于磁納米顆粒沿著磁場方向的聚集，物理各向異性源于有效媒質(zhì)的各向異性。對(duì)于隨機(jī)分布的球形磁納米流體，在無磁場作用下，體系是各向同性的，我們采用Maxwell Garnett theory來研究體系的熱導(dǎo)率；在磁場作用下，我們推廣使用各向異性有效媒質(zhì)公式預(yù)測體系的熱導(dǎo)率。我們研究發(fā)現(xiàn)體系的有效熱導(dǎo)率非單調(diào)依賴于外加磁場，沿著磁場方向和垂直磁場

4、方向的有效熱導(dǎo)率同時(shí)與實(shí)驗(yàn)結(jié)果符合得較好。
　　在納米流體中，納米顆粒在溫度梯度場作用下發(fā)生熱泳運(yùn)動(dòng)。近年來，隨著光學(xué)微操控技術(shù)的不斷發(fā)展，研究人員開始致力于液體里顆粒熱泳實(shí)驗(yàn)研究，利用熱泳實(shí)現(xiàn)對(duì)納米顆粒、DNA等熱捕獲。然而，在理論研究方面，液體里顆粒的熱泳機(jī)理仍未完全得到理解。我們考慮界面納米層和顆粒、基質(zhì)分子之間的相互作用，研究納米流體體系中的顆粒熱泳特性。我們首先根據(jù)穩(wěn)態(tài)熱傳輸方程推導(dǎo)出懸浮梯度殼層納米顆粒納米流體體系溫度

5、場分布，然后根據(jù)Navier-Stokes方程確定了顆粒表面附近的流體速率場分布，進(jìn)而得到顆粒熱泳遷移率。我們發(fā)現(xiàn)納米顆粒的熱泳遷移率DT非單調(diào)依賴于顆粒半徑rp，存在一個(gè)臨界半徑R0，當(dāng)0prR時(shí)，熱泳遷移率隨著顆粒半徑增加而減小；當(dāng)顆粒半徑足夠大，熱泳遷移率與顆粒大小無關(guān)，與已有的實(shí)驗(yàn)結(jié)論相吻合。同時(shí)，我們還研究了顆粒的熱導(dǎo)率、體系的溫度對(duì)顆粒熱泳運(yùn)動(dòng)的影響，結(jié)果表明顆粒的熱泳遷移率

6、DT隨著其熱導(dǎo)率增大而減小，隨體系溫度升高而線性增大。
　　光能夠改變微小顆粒物體的運(yùn)動(dòng)，在光的照射下，流體中顆粒發(fā)生正光泳或負(fù)光泳運(yùn)動(dòng)。由于顆粒吸收入射光的不均勻、不對(duì)稱而導(dǎo)致顆粒表面附近存在溫度梯度，引起非對(duì)稱的顆粒基質(zhì)相互作用而形成驅(qū)動(dòng)力，使顆粒發(fā)生光泳運(yùn)動(dòng)。通常情況下，光吸收集中在顆粒迎光一側(cè)，則發(fā)生正光泳；光吸收集中在顆粒背光一側(cè)，則發(fā)生負(fù)光泳。有研究表明，高吸收率顆粒發(fā)生正光泳運(yùn)動(dòng)，低吸收顆粒發(fā)生負(fù)光泳運(yùn)動(dòng)。實(shí)際上，顆

7、粒光泳特性不僅跟顆粒吸收系數(shù)有關(guān)，與折射率的實(shí)部，入射光波長、顆?；|(zhì)的熱物理特性、顆?；|(zhì)界面熱阻等諸多因素有關(guān)。
　　我們考慮界面熱阻和顆粒相關(guān)物理特性，對(duì)流體中顆粒的光泳特性進(jìn)行了研究。我們首先根據(jù)米散射理論確定了顆粒內(nèi)部電磁場分布，然后通過求解穩(wěn)態(tài)熱傳輸方程得到微納米流體體系溫度場分布，并根據(jù)熱泳機(jī)理分析，考慮slip-flow邊界條件，通過求解Navier-Stokes方程確定了顆粒的光泳速率。我們討論了顆粒光泳與界面熱

8、阻、顆粒尺寸參數(shù)、顆粒的折射率和熱物理特性的關(guān)系，得到以下結(jié)論：通常情況下，顆粒在較大尺寸參數(shù)a，高吸收系數(shù)kp，低折射率np的條件下進(jìn)行正光泳運(yùn)動(dòng)，相反情況下進(jìn)行負(fù)光泳運(yùn)動(dòng)，同時(shí)我們也發(fā)現(xiàn)，低熱導(dǎo)率、較小界面熱阻的顆粒發(fā)生光泳運(yùn)動(dòng)更強(qiáng)。
　　隨著微操控技術(shù)的不斷發(fā)展，光捕獲或操控技術(shù)得到了迅猛的發(fā)展，基于光泳的光操控具有精確度高、操控力強(qiáng)、無需接觸且無損傷等特點(diǎn)，其在醫(yī)學(xué)、化學(xué)、物理、生物等諸多領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。我們關(guān)于顆