潛熱型功能流體在微納尺度下的固液相變及其流動特性研究.pdf

1、隨著航空航天、能源工程、微加工和微電子機械系統(tǒng)(MEMS)等技術(shù)的發(fā)展，發(fā)熱器件越來越小型化和高度集成化，工作時的熱流密度越來越高。而傳統(tǒng)的熱設(shè)計和冷卻系統(tǒng)已越來越難滿足其傳熱要求，因此，迫切需要設(shè)計出具有更高傳熱效率的微冷卻系統(tǒng)。與此同時，能量的儲存和應(yīng)用在最近二十年得到廣泛重視。內(nèi)部封有相變物質(zhì)的微納膠囊顆粒與液體混合制成的潛熱型功能熱流體在傳熱和儲能方面有著良好的應(yīng)用前景。本文采用分子動力學(xué)方法對受限在狹小空間內(nèi)的相變微納膠囊的固

2、液相變進行模擬，探討界面熱導(dǎo)，并對存在納米顆粒的懸浮液在納米通道內(nèi)的流動和傳熱特性進行研究。
　　 本文綜述了微納尺度下含微納相變膠囊的潛熱型功能熱流體的研究現(xiàn)狀和手段，對如何將分子動力學(xué)方法應(yīng)用于功能熱流體的研究進行了深入系統(tǒng)的闡述。在此基礎(chǔ)上，首先對物質(zhì)的相變進行模擬，材料包括無機物氬和有機物辛烷。對固體氬的相變，本文模擬了其體相相變和與單壁面接觸的情況，對于辛烷，我們模擬了多種情況來探討其固體或氣體界面對相變過程的影響，模

3、擬主要包括辛烷的體相相變，表面熔化，與單壁面接觸以及受限在壁面內(nèi)的四種情況。結(jié)果表明，不論是無機物還是有機物，存在自由界面時，熔化是從自由界面開始的，不存在自由界面的結(jié)構(gòu)，相變過程從物質(zhì)的內(nèi)部開始發(fā)生，且在有機物相變過程中，將產(chǎn)生很大的過熱度。同時系統(tǒng)加熱過程中的熱膨脹和加熱速率過快，都會使得系統(tǒng)不能充分弛豫，得到平衡，導(dǎo)致過熱。
　　 在對辛烷及其相變微膠囊的熔化進行分子動力學(xué)模擬之后，又采用粗粒化模擬的介觀方法對介觀尺度下辛

4、烷的相變行為進行模擬，并采用DSC掃描和冷熱臺進行加熱實驗進行驗證，得出二者的相變熱力學(xué)特性結(jié)果基本一致。在進行冷熱臺實驗時，考慮了升溫/冷卻速率對相變動力學(xué)的影響。實驗結(jié)果證實了與分子動力學(xué)模擬一致的相變動力學(xué)特性，自由界面的存在會有效的降低熔化勢壘，能在較低或稍低的溫度下，便開始發(fā)生相變，升溫速率的增大會促使物質(zhì)發(fā)生過熱。在進行完熔化實驗后，還對物質(zhì)的冷凝過程也進行了觀測，雖然二者在理論上是相逆的過程，但實際過程中二者的發(fā)生常常是不

5、可逆的，熔點和凝固點存在一定的差異。
　　 然后，采用非平衡分子動力學(xué)模擬，給模擬體系加以溫度梯度，探討硅-辛烷體系和L-J固液界面有無納米尺寸的粗糙度下的熱阻。我們發(fā)現(xiàn)體系界面處都存在著很大的溫差。對于同種物質(zhì)，由于固液界面能夠良好的接觸，其導(dǎo)熱系數(shù)強于同-同界面的導(dǎo)熱系數(shù)?？刂平缑鏌釋?dǎo)的關(guān)鍵因素在于液體和固體之間的結(jié)合強度。此外，在粗糙固液界面下，界面熱導(dǎo)存在著明顯的親水性-疏水性的轉(zhuǎn)變。有趣的是，在不考慮模擬體系結(jié)構(gòu)的情況

6、下，粗糙和光滑界面的熱導(dǎo)隨界面結(jié)合能有相同的變化。在考慮界面熱導(dǎo)的同時，也考慮了壁面效應(yīng)對流體動力學(xué)的影響，結(jié)果表明，壁面處流體密度呈現(xiàn)振蕩現(xiàn)象，在親水性界面，最靠近壁面的那層流體分子，由于流體與界面之間的相互作用，而被鎖住，流體速度與壁面速度接近，而粘度急劇上升，但在疏水性界面處，二者作用力很小，因此，粘度雖有所增長，但變化不是太大。
　　 最后，本文針對納米尺寸的顆粒懸浮液，對其處在Poiseuille流和Couette流的

7、兩種情況下的動力學(xué)特性進行探討。著重分析了顆粒在剪切情況下的分布，體系流體的速度分布，在速度分布的基礎(chǔ)上，計算流體的粘度分布，并分析諸多因素對這些性質(zhì)的影響，包括顆粒的體積分?jǐn)?shù)，顆粒尺寸，施加的驅(qū)動力大小，通道尺寸以及溫度梯度的施加。在了解其動力學(xué)特性的基礎(chǔ)上，計算體系的有效粘度值和熵產(chǎn)，將其與理論模型的結(jié)果進行比較分析。結(jié)果表明，大部分顆粒都集中在流體內(nèi)部中間部位，導(dǎo)致該處的局部粘度值很大;在理論模型的適用范圍內(nèi)，本文通過模擬計算得到