纳米流体微结构对其传热传质的影响

作     者：钱胜 

作者单位：杭州电子科技大学 

学位级别：硕士

导师姓名：朱泽飞;王瑞金;楼允洪

授予年度：2019年

学科分类：080701[工学-工程热物理] 07[理学] 070205[理学-凝聚态物理] 08[工学] 0807[工学-动力工程及工程热物理] 0702[理学-物理学] 

主      题：纳米流体 导热系数 分形维数 液滴 蒸发 表面张力 分子动力学模拟 

摘      要：纳米流体的概念由美国Argonne国家实验室Choi等人在1995年首次提出,是一种在液体介质（基液）中添加少量纳米颗粒（粒径一般从几纳米到几百纳米,材质通常为金属、金属氧化物、非金属有机化合物或无机化合物）形成的稳定悬浮液。因其大幅度增强基液的热传导能力而受到学者的广泛关注。纳米流体中悬浮的纳米颗粒可以增强其热传导,但纳米颗粒增强热传导的机理目前尚不明确。目前一些研究表明,纳米颗粒的聚集是提升纳米流体导热系数的重要机理之一。纳米颗粒聚集形态的分形维数大小对纳米流体的导热系数有着重大的影响。本文在平衡分子动力学下,采用Green-Kubo公式计算导热系数。同时,不同聚集形态下的分形维数采用Schmidt-Ott关系式计算。结果表明,在相同体积分数下,对比导热系数与分形维数可以发现,较低的分形维数下会有更高的导热系数。此外,通过径向分布函数可以看出纳米颗粒紧密聚集与松散聚集的差异。基液分子在纳米颗粒附近的纳米薄层中达到动态平衡。这有助于我们理解纳米颗粒聚集形态对导热系数的影响。这些研究结果对于指导不同应用领域采用不同微结构的纳米流体有着重要意义。此外,随着纳米燃料的发展,纳米颗粒行为对纳米燃料蒸发特性的影响引起学者的关注。含有纳米颗粒的纳米流体液滴的蒸发行为在纳米燃料燃烧中起重要作用。在纳米燃料液滴燃烧的最后阶段,纳米燃料液滴的平均蒸发速率将急剧下降,因为纳米颗粒在液滴表面上的聚集,形成空心壳。为了说明由纳米颗粒的运动行为而对纳米流体的表面张力以及平均蒸发速率造成影响的微观机理,基于布朗动力学的数值模拟方法,对纳米颗粒运动行为影响表面张力以及平均蒸发速率进行了探究。通过模拟不同体积分数以及不同纳米颗粒分布形态下的液体蒸发,最终发现,纳米颗粒的分布和纳米颗粒的体积分数将极大地影响纳米燃料液滴的平均蒸发速率。并且可以得出Dh定律,即纳米流体液滴的当量直径D的h次方与蒸发进行时间t成正比例关系,而h的大小与纳米流体中纳米颗粒的体积分数有关。该研究结论对于指导在纳米燃料中添加一定比例的纳米颗粒物以最有效提升其燃烧性能具有着重要意义。