納米流體強(qiáng)化傳熱和流動(dòng)特性的分子動(dòng)力學(xué)模擬研究.pdf

1、納米流體是近幾十年來(lái)逐漸發(fā)展起來(lái)的新型功能流體，研究納米流體的熱物特性和微觀(guān)機(jī)理，對(duì)于解決微系統(tǒng)的散熱和流動(dòng)問(wèn)題具有重要意義。納米顆粒的尺度已經(jīng)接近原子或分子直徑的尺度，分子動(dòng)力學(xué)模擬是研究納米尺度問(wèn)題的主要方法。本課題以水基納米流體為主要研究對(duì)象，重點(diǎn)分析和研究納米流體的導(dǎo)熱強(qiáng)化微觀(guān)機(jī)理和流動(dòng)特性。獲得結(jié)論如下：
　　本研究采用分子動(dòng)力學(xué)軟件Materials Studio進(jìn)行相關(guān)模擬工作，首先編寫(xiě)Perl腳本程序計(jì)算純基礎(chǔ)液體

2、水的導(dǎo)熱系數(shù)，并將模擬計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，用于驗(yàn)證模型和計(jì)算方法的可靠性和準(zhǔn)確性。然后構(gòu)建不同類(lèi)型的納米流體模型，研究納米流體導(dǎo)熱強(qiáng)化的微觀(guān)作用機(jī)理。模擬分析發(fā)現(xiàn)，隨著納米顆粒體積濃度的增大，納米顆粒間的聚集和相互作用變得更強(qiáng)，納米流體的導(dǎo)熱系數(shù)顯著增加；盒子形狀和球形的納米顆粒更容易發(fā)生相互碰撞，強(qiáng)化了納米流體的導(dǎo)熱系數(shù)；納米顆粒屬性也是影響納米流體導(dǎo)熱系數(shù)的主要變量之一，導(dǎo)熱系數(shù)較大的材料具有高勢(shì)能的原子比例要更高，從而使納

3、米流體的導(dǎo)熱系數(shù)明顯增加；隨著系統(tǒng)溫度的升高，納米流體內(nèi)部粒子間碰撞的強(qiáng)度和頻率變大，導(dǎo)致納米流體的導(dǎo)熱系數(shù)不斷增大。模擬結(jié)果表明，基礎(chǔ)液體微觀(guān)結(jié)構(gòu)的改變以及納米顆粒的微運(yùn)動(dòng)行為，都共同影響著納米流體內(nèi)部的能量傳遞過(guò)程，是納米流體導(dǎo)熱強(qiáng)化的主要微觀(guān)機(jī)理。納米流體的粘度系數(shù)與剪切速度、系統(tǒng)溫度、納米顆粒體積濃度以及粒子形狀密切相關(guān)。在限制性剪切流動(dòng)過(guò)程中，納米顆粒的隨機(jī)運(yùn)動(dòng)行為和平板的剪切作用共同影響著納米流體的流動(dòng)特性。納米顆粒在流動(dòng)過(guò)

4、程中發(fā)生了碰撞、聚集和分離過(guò)程，在納米顆粒表面存在一層較薄的液體吸附層。納米顆粒除了在主流X方向具有隨機(jī)運(yùn)動(dòng)行為，在Y和Z方向也具有隨機(jī)運(yùn)動(dòng)行為。納米顆粒在剪切流動(dòng)過(guò)程中的運(yùn)動(dòng)行為具體有上下擺動(dòng)、左右移動(dòng)以及旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)等，影響納米顆粒隨機(jī)運(yùn)動(dòng)行為的主要原因是小尺度效應(yīng)。剪切流動(dòng)對(duì)納米顆粒的平移速度造成一定的影響，在主流X方向的平移速度分量略大于Y和Z方向，但是仍處于相同的數(shù)量級(jí)范圍內(nèi)。納米顆粒的碰撞、聚集和分離行為，使納米流體的原子密度呈

5、現(xiàn)不均勻分布，有利于加強(qiáng)納米流體的傳質(zhì)過(guò)程。靜電場(chǎng)作用使納米流體的微觀(guān)結(jié)構(gòu)發(fā)生明顯改變，納米流體中基液水分子的結(jié)構(gòu)趨于完美，具有類(lèi)似“冰”的結(jié)構(gòu)。隨著電場(chǎng)強(qiáng)度的增加，納米流體的分子內(nèi)能減小，納米流體中水分子的擴(kuò)散系數(shù)急劇減小。納米流體在X、Y方向的導(dǎo)熱系數(shù)基本相同，小于施加了電場(chǎng)的 Z方向納米流體的導(dǎo)熱系數(shù)。納米流體的導(dǎo)熱系數(shù)在電場(chǎng)作用下呈現(xiàn)各向異性特征，且隨著電場(chǎng)強(qiáng)度的增加，導(dǎo)熱系數(shù)的各向異性特征變得更加明顯。靜電場(chǎng)的添加改變了納米流