納米尺度下液固懸浮流體和混合流體的熱質(zhì)輸運特性.pdf

1、在納米尺度下，一些在宏觀尺度下可以忽略的力起主導(dǎo)作用，導(dǎo)致流體展現(xiàn)出了很多特殊的性質(zhì)（如壁面附近的速度滑移等），使得納流控學(xué)（Nanofluidics）應(yīng)運而生，在近十年中得到了飛速發(fā)展。當(dāng)流體中加入具有納米尺度的物質(zhì)或流體被限制在納米尺度的空間內(nèi)時，由于引入了大量的流-固界面，體積力作用減弱而表面力作用增強，流體的輸運特性會強烈地依賴于界面特性，并且展現(xiàn)出鮮明的特殊性，如各向異性和空間尺度依賴性等。本文旨在研究納米尺度下液固懸浮流體和

2、混合流體的熱質(zhì)輸運特性，為新型傳熱工質(zhì)的工業(yè)應(yīng)用、納流控器件的設(shè)計制造提供理論基礎(chǔ)，推進高效熱傳輸和納流控技術(shù)在電子器件冷卻、氣體分離和氫氣儲藏等領(lǐng)域的實際應(yīng)用。
　　本文首先通過建立的旋轉(zhuǎn)庫埃特流測量裝置和提出的分子動力學(xué)（MD）模型研究了剪切流場中納米流體的熱輸運特性，然后 MD模擬研究了納米通道中納米流體與二元混合流體的熱輸運特性，最后結(jié)合 MD方法和理論分析研究了混合氣體分子在石墨烯納米孔中的質(zhì)量輸運特性。主要結(jié)論如下：<

3、br>　　深入認識了剪切流場中納米流體等效熱導(dǎo)率（ETC）增加的機理，獲得了參數(shù)影響規(guī)律，給出了預(yù)測ETC的定量關(guān)聯(lián)式，揭示了液固懸浮流體熱輸運特性的顆粒納米尺度效應(yīng)。發(fā)現(xiàn)低剪切速率時ETC隨著剪切速率的增加而增加，而當(dāng)剪切速率大于一個臨界值時ETC保持恒定，這跟納米流體中顆粒團聚體隨著剪切速率的增加而逐漸消失有關(guān)。納米顆粒體積分數(shù)和直徑越大，ETC隨著剪切速率的增加越明顯；流體溫度越高，顆粒團聚體不易形成，ETC隨著剪切速率的變化減弱

4、，剪切流場中最大ETC與靜態(tài)熱導(dǎo)率比值減小。發(fā)現(xiàn)剪切流場中液固懸浮流體熱輸運特性的顆粒納米尺度效應(yīng)非常明顯，預(yù)測普通液固懸浮流體（微米級顆粒）ETC的傳統(tǒng)關(guān)聯(lián)式從定性和定量上都不適用于納米流體，最后本文基于實驗數(shù)據(jù)提出了預(yù)測納米流體ETC的指數(shù)型關(guān)聯(lián)式?；?MD模型，發(fā)現(xiàn)了納米顆粒的定向旋轉(zhuǎn)效應(yīng)，其促進了顆粒周圍流體原子間的相對運動，增強了納米流體的熱輸運能力。
　　發(fā)現(xiàn)了納米流體和二元混合流體在納米通道中熱輸運的各向異性和熱輸

5、運能力增強的新現(xiàn)象，并闡明了其機理及參數(shù)影響規(guī)律，揭示了納米通道中這兩類流體熱輸運特性的納米尺度效應(yīng)。發(fā)現(xiàn)納米流體在納米通道中表現(xiàn)出了完全不同于純流體的流動特性，如在壁面附近和通道中間都出現(xiàn)數(shù)密度波動、具有非線性特征的庫埃特流速度剖面等。發(fā)現(xiàn)納米流體在納米通道中的熱輸運特性呈現(xiàn)明顯的各向異性，壁面使得流體在通道高度方向的運動減弱，導(dǎo)致其熱導(dǎo)率小于平行于壁面方向的熱導(dǎo)率。指出壁面原子與流體原子（尤其是顆粒原子）之間很強的相互作用是引起平行

6、于壁面方向的熱導(dǎo)率遠遠大于宏觀尺度下納米流體熱導(dǎo)率的主要原因，隨著通道高度的減小和顆粒直徑（體積分數(shù)）的增加，該熱導(dǎo)率繼續(xù)增加。類似于納米流體，納米通道中 Ar-Kr二元混合流體的熱輸運特性也呈現(xiàn)各向異性，并且平行于壁面方向的熱導(dǎo)率大于其宏觀值；混合流體的熱導(dǎo)率隨著Kr原子的體積分數(shù)發(fā)生變化，體積分數(shù)越大，熱導(dǎo)率越高；納米通道中加入外部驅(qū)動力形成泊肅葉流后，流動方向的熱導(dǎo)率會繼續(xù)增加。
　　深入研究了四種不同氣體分子（He、H2、

7、N2和CH4）在石墨烯納米孔中的滲透過程，查明了分子滲透的2種物理機制，構(gòu)建了相應(yīng)的理論模型，揭示了納米孔中混合氣體分子質(zhì)量輸運特性的納米尺度效應(yīng)。發(fā)現(xiàn)石墨烯納米孔越大，分子滲透通量越大，同一納米孔下氣體分子的滲透通量與分子的大小和在石墨烯表面的吸附強度都有關(guān)。提出了“直接滲透”和“表面滲透”概念，量化了“直接滲透”和“表面滲透”的相對影響，發(fā)現(xiàn)對于吸附在石墨烯表面的氣體分子（如 N2和 CH4），有很大一部分滲透通量來自于表面滲透通量