納米流體熱傳輸性質(zhì)研究.pdf

1、本文重點(diǎn)研究了納米流體熱導(dǎo)率的異常增強(qiáng)和熱傳輸機(jī)理。 1995年，美國Argonne國家實(shí)驗(yàn)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(dǎo)熱的新型換熱介質(zhì)。 本文圍繞納米流體的熱導(dǎo)率異常增強(qiáng)，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(jī)制。 L碳納米管為填充物

2、的納米流體的有效熱導(dǎo)率 通過考慮幾何各向異性、物理各向異性(納米顆粒的熱導(dǎo)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(dǎo)率增強(qiáng)的影響。我們發(fā)現(xiàn)，當(dāng)納米顆粒為球形時，體系的有效熱導(dǎo)率增強(qiáng)最小。當(dāng)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(dǎo)率總是明顯的增強(qiáng)。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(dǎo)率的增強(qiáng)。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(dǎo)率增強(qiáng)的作用。同實(shí)驗(yàn)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(dǎo)率的異常增強(qiáng)，而且成功的解釋了(在低體積分?jǐn)?shù)下)隨體積分?jǐn)?shù)變化的熱導(dǎo)率增強(qiáng)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(dǎo)率 因?yàn)榱黧w復(fù)合體系的特點(diǎn)，納米流體中顆粒容易聚集甚至形成集團(tuán)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(fù)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(fù)合體系熱傳輸?shù)挠绊?。此外，結(jié)合復(fù)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(dǎo)率增強(qiáng)。同其他模型相比較，復(fù)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(dǎo)率增強(qiáng)的影響。在大分離比的情況下，復(fù)合鏡像法和Maxwell-Garnett理論在預(yù)測熱導(dǎo)率增強(qiáng)時幾乎相同。然而，當(dāng)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(shí)驗(yàn)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(dǎo)率的異常增強(qiáng)。 3．碳納米管顆粒復(fù)合體系的有效電導(dǎo)率和熱導(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)率的異常增強(qiáng)和電導(dǎo)率增強(qiáng)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(fù)合體系，電導(dǎo)率和熱導(dǎo)率增強(qiáng)有無滲流閾值的原因在于，在熱傳輸中，傳導(dǎo)顆粒和基質(zhì)之間的熱導(dǎo)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(dǎo)率降低，因而在熱傳輸過程中，有效熱導(dǎo)率隨體積分?jǐn)?shù)變化不發(fā)生明顯突變。而在電傳導(dǎo)中，電導(dǎo)顆粒和基質(zhì)之間的電導(dǎo)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(dǎo)率大于多壁碳納米管壁，但是對于實(shí)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(dǎo)