納米流體熱傳輸性質(zhì)研究.pdf

1、本文重點研究了納米流體熱導率的異常增強和熱傳輸機理。 1995年，美國Argonne國家實驗室的Choi等人首次提出了一個嶄新的概念一納米流體：納米流體介質(zhì)是指把金屬或非金屬納米粉體分散到水、醇、油等傳統(tǒng)換熱介質(zhì)中，制備成均勻、穩(wěn)定、高導熱的新型換熱介質(zhì)。 本文圍繞納米流體的熱導率異常增強，主要從顆粒間多極相互作用、尺寸效應(yīng)、形狀效應(yīng)、界面殼層、界面熱阻等幾方面內(nèi)容，研究納米流體的熱傳輸機制。 L碳納米管為填充物

2、的納米流體的有效熱導率 通過考慮幾何各向異性、物理各向異性(納米顆粒的熱導率張量)和界面效應(yīng)(界面熱阻)，我們利用推廣的微分有效媒質(zhì)理論研究了納米顆粒的幾何形狀、和界面熱阻對碳納米管納米流體有效熱導率增強的影響。我們發(fā)現(xiàn)，當納米顆粒為球形時，體系的有效熱導率增強最小。當納米顆粒形狀偏離球形時，無論是扁長的(L，<1／3)還是扁圓的(L.>1／3)，體系的有效熱導率總是明顯的增強。因此，調(diào)節(jié)加入到流體中的納米顆粒形狀，有助于獲得更

3、高的體系有效熱導率的增強。理論研究還表明，界面熱阻的存在總是起著削弱體系有效熱導率增強的作用。同實驗數(shù)據(jù)比較，我們的理論不僅在數(shù)值上很好的解釋了以高縱橫比碳納米管為添加物的納米流體熱導率的異常增強，而且成功的解釋了(在低體積分數(shù)下)隨體積分數(shù)變化的熱導率增強的非線性行為。 2．填充物為球形顆粒的納米流體的有效熱導率 因為流體復合體系的特點，納米流體中顆粒容易聚集甚至形成集團結(jié)構(gòu)，這時顆粒間的多極相互作用顯得非常重要。因此

4、，我們考慮粒子間多極相互作用，用復合鏡像法研究納米顆粒的尺寸、半徑、以及分離比的變化對復合體系熱傳輸?shù)挠绊憽４送?，結(jié)合復合鏡像法我們還研究了含梯度殼層的球形顆粒納米流體的有效熱導率增強。同其他模型相比較，復合鏡像法可以研究顆粒之間的分離比、多極相互作用對體系熱導率增強的影響。在大分離比的情況下，復合鏡像法和Maxwell-Garnett理論在預(yù)測熱導率增強時幾乎相同。然而，當分離比較小時，顆粒間的多極相互作用變的重要，該方法和Maxwe

5、ll-Garnett理論之間的差別很顯著。通過和實驗數(shù)據(jù)的比較，我們成功解釋了Cu/EG、Cu0／EG、Al203／water、CuO／water等納米流體體系有效熱導率的異常增強。 3．碳納米管顆粒復合體系的有效電導率和熱導率 在本文中通過考慮幾何各向異性和物理各向異性(納米顆粒的熱導率張量)我們推廣了有效媒質(zhì)理論，同時解釋了碳納米管納米流體熱導率的異常增強和電導率增強所出現(xiàn)的閾值行為。研究表明，以碳納米管為填充物的顆

6、粒復合體系，電導率和熱導率增強有無滲流閾值的原因在于，在熱傳輸中，傳導顆粒和基質(zhì)之間的熱導率比值大概為104，而界面熱阻的存在使得碳納米管有效熱導率降低，因而在熱傳輸過程中，有效熱導率隨體積分數(shù)變化不發(fā)生明顯突變。而在電傳導中，電導顆粒和基質(zhì)之間的電導率比值大概為1012-lO16。同時研究還表明，盡管單壁碳納米管的熱導率大于多壁碳納米管壁，但是對于實際納米流體，由于界面熱阻效應(yīng)，填充多壁碳納米管壁比填充單壁碳納米管更能獲得大的有效熱導