納米流體熱物理和泳輸運特性理論研究.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、導熱性強的懸浮液，稱為納米流體。作為新興的前沿學科領域，納米流體是納米技術在熱能工程這一傳統(tǒng)領域的創(chuàng)新性應用研究，由于其顯著增強的導熱性能而被視為“未來冷卻劑”，其在能源、化工、汽車、建筑、微電子、信息、醫(yī)療等領域具有廣闊的應用前景和潛在的經(jīng)濟價值。近年來，在研究納米流體強化傳熱的同時，研究人員開始關注基于磁場、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，泳輸運特性展開研究，主要考慮磁場效應，各向異性、尺寸效應、界面殼層、界面熱阻等方面因素，對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，針對這一實驗結(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率的各向異性顯著增強行為。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。對于隨機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)公式預測體系的熱導率。我們研究發(fā)現(xiàn)體系的有效熱導率非單調(diào)依賴于外加磁場，沿著磁場方向和垂直磁場

4、方向的有效熱導率同時與實驗結(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)生熱泳運動。近年來，隨著光學微操控技術的不斷發(fā)展，研究人員開始致力于液體里顆粒熱泳實驗研究，利用熱泳實現(xiàn)對納米顆粒、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，存在一個臨界半徑R0，當0prR時，熱泳遷移率隨著顆粒半徑增加而減??；當顆粒半徑足夠大，熱泳遷移率與顆粒大小無關，與已有的實驗結(jié)論相吻合。同時，我們還研究了顆粒的熱導率、體系的溫度對顆粒熱泳運動的影響，結(jié)果表明顆粒的熱泳遷移率

6、DT隨著其熱導率增大而減小，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動，在光的照射下，流體中顆粒發(fā)生正光泳或負光泳運動。由于顆粒吸收入射光的不均勻、不對稱而導致顆粒表面附近存在溫度梯度，引起非對稱的顆?；|(zhì)相互作用而形成驅(qū)動力，使顆粒發(fā)生光泳運動。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)生負光泳。有研究表明，高吸收率顆粒發(fā)生正光泳運動，低吸收顆粒發(fā)生負光泳運動。實際上，顆

7、粒光泳特性不僅跟顆粒吸收系數(shù)有關，與折射率的實部，入射光波長、顆粒基質(zhì)的熱物理特性、顆?；|(zhì)界面熱阻等諸多因素有關。
　　我們考慮界面熱阻和顆粒相關物理特性，對流體中顆粒的光泳特性進行了研究。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的條件下進行正光泳運動，相反情況下進行負光泳運動，同時我們也發(fā)現(xiàn)，低熱導率、較小界面熱阻的顆粒發(fā)生光泳運動更強。
　　隨著微操控技術的不斷發(fā)展，光捕獲或操控技術得到了迅猛的發(fā)展，基于光泳的光操控具有精確度高、操控力強、無需接觸且無損傷等特點，其在醫(yī)學、化學、物理、生物等諸多領域有著廣泛的應用前景。我們關于顆