納米流體熱質(zhì)傳遞機理及光學(xué)特性研究.pdf

1、1995年，美國Argonne國家實驗室的Choi在國際上首次提出了納米流體的概念:即以一定的方式和比例在液體中添加納米級的金屬或非金屬氧化物粒子，形成一類新的傳熱冷卻工質(zhì)。納米流體的概念一經(jīng)提出，立即引起了國內(nèi)外研究者的關(guān)注。作為一種新型的功能流體，納米流體擁有一些特殊的性質(zhì)。納米流體的傳熱特性、傳質(zhì)特性以及光學(xué)特性是其三個重要的物性，已有的實驗研究已經(jīng)表明納米流體在傳熱、傳質(zhì)以及光學(xué)領(lǐng)域有很好的應(yīng)用前景。目前，人們對于納米流體的研究

2、還不夠深入，納米流體各種特性的機理尚不清楚。進一步開展納米流體各種特性的機理研究，有助于加深人們對納米流體的認(rèn)知，能夠促進納米流體的工程應(yīng)用，是非常有意義的工作。本文圍繞納米流體的傳熱、傳質(zhì)以及光學(xué)特性開展了研究工作，探索了納米流體的導(dǎo)熱機理、傳質(zhì)機理以及光吸收特性機理，為納米流體的應(yīng)用提供了理論指導(dǎo)。本文的主要工作包括以下幾個方面:
　　 1.納米流體導(dǎo)熱機理的研究
　　 自納米流體的概念被提出以來，人們就一直關(guān)注納米

3、流體的傳熱特性。研究者們對納米流體的導(dǎo)熱系數(shù)進行了大量的實驗及理論研究。實驗結(jié)果表明納米流體的導(dǎo)熱系數(shù)比基液的導(dǎo)熱系數(shù)有了很可觀的提高。人們考慮各種因素，提出了很多理論模型來解釋納米流體的導(dǎo)熱機理，但目前還沒有一種完善的理論。納米流體內(nèi)部的能量傳遞是一個非常復(fù)雜的過程，傳統(tǒng)的導(dǎo)熱模型不能解釋納米流體中的傳熱過程。要搞清楚納米流體的導(dǎo)熱機理，還需要進一步更深入的研究。
　　 本文首先對已經(jīng)報道的關(guān)于納米流體導(dǎo)熱系數(shù)的研究結(jié)果進行了

4、分析總結(jié)，搞清楚了影響納米流體導(dǎo)熱系數(shù)的各種因素。納米流體的導(dǎo)熱系數(shù)可以看作靜態(tài)導(dǎo)熱系數(shù)與動態(tài)導(dǎo)熱系數(shù)之和。本文綜合考慮影響納米流體導(dǎo)熱系數(shù)的各種因素，分別建立了納米流體的靜態(tài)導(dǎo)熱系數(shù)模型和動態(tài)導(dǎo)熱系數(shù)模型。利用本文建立的理論模型，結(jié)合實驗結(jié)果對納米流體的導(dǎo)熱機理進行了研究，搞清楚了影響納米流體導(dǎo)熱系數(shù)的主要因素。對于納米粒子具有磁性的納米磁流體，其導(dǎo)熱系數(shù)在外加磁場作用下是各向異性的。目前關(guān)于這方面的理論研究很少，本文結(jié)合了納米磁流體

5、微結(jié)構(gòu)的動力學(xué)模擬以及納米流體的靜態(tài)導(dǎo)熱系數(shù)模型，對納米磁流體的各向異性導(dǎo)熱機理進行了研究。首先詳細(xì)分析了納米磁流體中磁性粒子受到的各種作用力，建立了磁粒子受力模型及運動方程。在此基礎(chǔ)上，運用動力學(xué)方法模擬了在有、無外加磁場作用兩種情況下納米磁流體的微觀聚集結(jié)構(gòu)。然后利用納米流體的靜態(tài)導(dǎo)熱模型計算了不同結(jié)構(gòu)的納米磁流體的各向異性導(dǎo)熱系數(shù)。研究結(jié)果表明，外加磁場作用下磁性粒子沿著磁場方向形成了鏈狀結(jié)構(gòu)，這種鏈狀結(jié)構(gòu)為流體內(nèi)部的傳熱提供了有

6、效的通路，使得納米磁流體在沿著鏈方向的導(dǎo)熱系數(shù)大于垂直于鏈方向的導(dǎo)熱系數(shù)，納米磁流體導(dǎo)熱系數(shù)的各向異性特征會隨著外加磁場強度的增大而變得更加明顯。
　　 2.納米流體強化傳質(zhì)研究
　　 關(guān)于納米流體強化傳質(zhì)的研究處于起步階段，研究結(jié)果比較少。本文從理論和實驗兩個方面對納米流體的傳質(zhì)過程進行了探索，較為完整地研究了納米流體的強化傳質(zhì)機理。
　　 (1)理論研究方面
　　 分析了懸浮納米粒子的布朗運動對于納米

7、流體內(nèi)部傳質(zhì)過程的影響，并根據(jù)熱質(zhì)比擬理論，得到了納米流體有效傳質(zhì)擴散系數(shù)的準(zhǔn)則方程。通過對納米流體傳質(zhì)過程的理論分析，搞清楚了影響納米流體傳質(zhì)擴散系數(shù)的主要因素。
　　 (2)實驗研究方面
　　 根據(jù)Taylor分散法的思路，設(shè)計出了能夠定量測量納米流體傳質(zhì)擴散系數(shù)的實驗系統(tǒng)。測量了不同溫度(15℃、20℃、25℃)條件下羅丹明B在不同粒子體積份額(0.1％～0.5％)的Cu-水以及Cu-乙二醇納米流體中的擴散系數(shù)，研

8、究了納米流體中粒子體積份額、溫度以及基液屬性等因素對傳質(zhì)的影響。結(jié)果表明懸浮納米粒子的不規(guī)則運動強化了基液內(nèi)的傳質(zhì)過程。羅丹明B在納米流體中的擴散系數(shù)要大于其在基液中的擴散系數(shù)，且擴散系數(shù)隨著粒子體積份額的增大而增大。當(dāng)粒子體積份額相同時，擴散系數(shù)隨著溫度的升高而增大。羅丹明B在Cu-水納米流體中的擴散系數(shù)要大于其在Cu-乙二醇納米流體中的擴散系數(shù)。
　　 本文對納米流體強化傳質(zhì)所做的理論和實驗上的探索性工作，幫助我們搞清楚了影

9、響納米流體傳質(zhì)的一些主要因素，對于促進納米流體在工程中的應(yīng)用起到了指導(dǎo)作用。
　　 3.納米流體光學(xué)特性研究
　　 影響納米流體光學(xué)特性的重要參數(shù)是納米流體的消光系數(shù)。本文從實驗和理論兩個方面對納米流體的消光系數(shù)進行了研究。由于納米磁流體有特殊的磁光效應(yīng)，其在光學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用前景比普通的納米流體更加廣泛。本文用新建的理論模型重點研究了納米磁流體在外加磁場作用下的光學(xué)各向異性機理。
　　 (1)實驗研究方面
　

10、　 根據(jù)薄膜透射原理，建立了可以測量納米流體消光系數(shù)的實驗方法。首先用該方法測量了水在不同波長下的消光系數(shù)，并與文獻值進行了對比。分析表明該實驗方法適合測量納米流體的消光系數(shù)，有較高的精度。然后用該方法測量了不同粒子體積份額的Fe3O4-水納米流體的消光系數(shù)，為接下來的理論研究提供了實驗數(shù)據(jù)。
　　 (2)理論研究方面
　　 建立理論模型，引入了T矩陣算法，考慮納米流體中粒子的聚集結(jié)構(gòu)特性以及粒子之間的多次散射，建立了

11、一種可以精確計算納米流體消光系數(shù)的理論方法。用該方法對不同體積份額的Fe3O4-水納米流體的消光系數(shù)進行了計算，并與本文的實驗結(jié)果進行了對比。計算結(jié)果與實驗結(jié)果符合的很好。為了研究納米磁流體的光學(xué)各向異性機理，首先利用本文所建立的動力學(xué)方法模擬得到了納米磁流體在外加磁場作用下的微觀結(jié)構(gòu)，然后用本文的理論方法計算得到了納米磁流體各向異性的消光系數(shù)。利用該方法分析了粒子粒徑、體積份額、外加磁場等因素對納米磁流體消光系數(shù)的影響。研究結(jié)果表明:

12、在外加磁場作用下，磁性納米粒子會沿著磁場方向形成鏈狀聚集結(jié)構(gòu)，正是這種各向異性的聚集結(jié)構(gòu)導(dǎo)致了納米磁流體的消光系數(shù)出現(xiàn)了各向異性特征。在平行于磁場方向，納米磁流體的消光系數(shù)小于不加磁場時的值，且消光系數(shù)隨著磁場強度的增大而減小，直到達到恒定值;在垂直于磁場方向，若入射光的偏振方向與磁場方向平行，納米磁流體的消光系數(shù)大于不加磁場時的值，且消光系數(shù)隨著磁場強度的增大而增大;若入射光的偏振方向與磁場方向垂直，納米磁流體的消光系數(shù)小于不加磁場時