納米流體強化傳熱和流動特性的分子動力學模擬研究.pdf

1、納米流體是近幾十年來逐漸發(fā)展起來的新型功能流體，研究納米流體的熱物特性和微觀機理，對于解決微系統(tǒng)的散熱和流動問題具有重要意義。納米顆粒的尺度已經(jīng)接近原子或分子直徑的尺度，分子動力學模擬是研究納米尺度問題的主要方法。本課題以水基納米流體為主要研究對象，重點分析和研究納米流體的導熱強化微觀機理和流動特性。獲得結論如下：
　　本研究采用分子動力學軟件Materials Studio進行相關模擬工作，首先編寫Perl腳本程序計算純基礎液體

2、水的導熱系數(shù)，并將模擬計算結果與實驗結果進行對比，用于驗證模型和計算方法的可靠性和準確性。然后構建不同類型的納米流體模型，研究納米流體導熱強化的微觀作用機理。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，納米流體的導熱系數(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，強化了納米流體的導熱系數(shù)；納米顆粒屬性也是影響納米流體導熱系數(shù)的主要變量之一，導熱系數(shù)較大的材料具有高勢能的原子比例要更高，從而使納

3、米流體的導熱系數(shù)明顯增加；隨著系統(tǒng)溫度的升高，納米流體內(nèi)部粒子間碰撞的強度和頻率變大，導致納米流體的導熱系數(shù)不斷增大。模擬結果表明，基礎液體微觀結構的改變以及納米顆粒的微運動行為，都共同影響著納米流體內(nèi)部的能量傳遞過程，是納米流體導熱強化的主要微觀機理。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。在限制性剪切流動過程中，納米顆粒的隨機運動行為和平板的剪切作用共同影響著納米流體的流動特性。納米顆粒在流動過

4、程中發(fā)生了碰撞、聚集和分離過程，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方向具有隨機運動行為，在Y和Z方向也具有隨機運動行為。納米顆粒在剪切流動過程中的運動行為具體有上下擺動、左右移動以及旋轉運動等，影響納米顆粒隨機運動行為的主要原因是小尺度效應。剪切流動對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，有利于加強納米流體的傳質過程。靜電場作用使納米流體的微觀結構發(fā)生明顯改變，納米流體中基液水分子的結構趨于完美，具有類似“冰”的結構。隨著電場強度的增加，納米流體的分子內(nèi)能減小，納米流體中水分子的擴散系數(shù)急劇減小。納米流體在X、Y方向的導熱系數(shù)基本相同，小于施加了電場的 Z方向納米流體的導熱系數(shù)。納米流體的導熱系數(shù)在電場作用下呈現(xiàn)各向異性特征，且隨著電場強度的增加，導熱系數(shù)的各向異性特征變得更加明顯。靜電場的添加改變了納米流