納米流體熱質(zhì)傳遞機(jī)理及光學(xué)特性研究.pdf

1、1995年，美國(guó)Argonne國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的Choi在國(guó)際上首次提出了納米流體的概念:即以一定的方式和比例在液體中添加納米級(jí)的金屬或非金屬氧化物粒子，形成一類新的傳熱冷卻工質(zhì)。納米流體的概念一經(jīng)提出，立即引起了國(guó)內(nèi)外研究者的關(guān)注。作為一種新型的功能流體，納米流體擁有一些特殊的性質(zhì)。納米流體的傳熱特性、傳質(zhì)特性以及光學(xué)特性是其三個(gè)重要的物性，已有的實(shí)驗(yàn)研究已經(jīng)表明納米流體在傳熱、傳質(zhì)以及光學(xué)領(lǐng)域有很好的應(yīng)用前景。目前，人們對(duì)于納米流體的研究

2、還不夠深入，納米流體各種特性的機(jī)理尚不清楚。進(jìn)一步開(kāi)展納米流體各種特性的機(jī)理研究，有助于加深人們對(duì)納米流體的認(rèn)知，能夠促進(jìn)納米流體的工程應(yīng)用，是非常有意義的工作。本文圍繞納米流體的傳熱、傳質(zhì)以及光學(xué)特性開(kāi)展了研究工作，探索了納米流體的導(dǎo)熱機(jī)理、傳質(zhì)機(jī)理以及光吸收特性機(jī)理，為納米流體的應(yīng)用提供了理論指導(dǎo)。本文的主要工作包括以下幾個(gè)方面:
　　 1.納米流體導(dǎo)熱機(jī)理的研究
　　 自納米流體的概念被提出以來(lái)，人們就一直關(guān)注納米

3、流體的傳熱特性。研究者們對(duì)納米流體的導(dǎo)熱系數(shù)進(jìn)行了大量的實(shí)驗(yàn)及理論研究。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明納米流體的導(dǎo)熱系數(shù)比基液的導(dǎo)熱系數(shù)有了很可觀的提高。人們考慮各種因素，提出了很多理論模型來(lái)解釋納米流體的導(dǎo)熱機(jī)理，但目前還沒(méi)有一種完善的理論。納米流體內(nèi)部的能量傳遞是一個(gè)非常復(fù)雜的過(guò)程，傳統(tǒng)的導(dǎo)熱模型不能解釋納米流體中的傳熱過(guò)程。要搞清楚納米流體的導(dǎo)熱機(jī)理，還需要進(jìn)一步更深入的研究。
　　 本文首先對(duì)已經(jīng)報(bào)道的關(guān)于納米流體導(dǎo)熱系數(shù)的研究結(jié)果進(jìn)行了

4、分析總結(jié)，搞清楚了影響納米流體導(dǎo)熱系數(shù)的各種因素。納米流體的導(dǎo)熱系數(shù)可以看作靜態(tài)導(dǎo)熱系數(shù)與動(dòng)態(tài)導(dǎo)熱系數(shù)之和。本文綜合考慮影響納米流體導(dǎo)熱系數(shù)的各種因素，分別建立了納米流體的靜態(tài)導(dǎo)熱系數(shù)模型和動(dòng)態(tài)導(dǎo)熱系數(shù)模型。利用本文建立的理論模型，結(jié)合實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)納米流體的導(dǎo)熱機(jī)理進(jìn)行了研究，搞清楚了影響納米流體導(dǎo)熱系數(shù)的主要因素。對(duì)于納米粒子具有磁性的納米磁流體，其導(dǎo)熱系數(shù)在外加磁場(chǎng)作用下是各向異性的。目前關(guān)于這方面的理論研究很少，本文結(jié)合了納米磁流體

5、微結(jié)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)模擬以及納米流體的靜態(tài)導(dǎo)熱系數(shù)模型，對(duì)納米磁流體的各向異性導(dǎo)熱機(jī)理進(jìn)行了研究。首先詳細(xì)分析了納米磁流體中磁性粒子受到的各種作用力，建立了磁粒子受力模型及運(yùn)動(dòng)方程。在此基礎(chǔ)上，運(yùn)用動(dòng)力學(xué)方法模擬了在有、無(wú)外加磁場(chǎng)作用兩種情況下納米磁流體的微觀聚集結(jié)構(gòu)。然后利用納米流體的靜態(tài)導(dǎo)熱模型計(jì)算了不同結(jié)構(gòu)的納米磁流體的各向異性導(dǎo)熱系數(shù)。研究結(jié)果表明，外加磁場(chǎng)作用下磁性粒子沿著磁場(chǎng)方向形成了鏈狀結(jié)構(gòu)，這種鏈狀結(jié)構(gòu)為流體內(nèi)部的傳熱提供了有

6、效的通路，使得納米磁流體在沿著鏈方向的導(dǎo)熱系數(shù)大于垂直于鏈方向的導(dǎo)熱系數(shù)，納米磁流體導(dǎo)熱系數(shù)的各向異性特征會(huì)隨著外加磁場(chǎng)強(qiáng)度的增大而變得更加明顯。
　　 2.納米流體強(qiáng)化傳質(zhì)研究
　　 關(guān)于納米流體強(qiáng)化傳質(zhì)的研究處于起步階段，研究結(jié)果比較少。本文從理論和實(shí)驗(yàn)兩個(gè)方面對(duì)納米流體的傳質(zhì)過(guò)程進(jìn)行了探索，較為完整地研究了納米流體的強(qiáng)化傳質(zhì)機(jī)理。
　　 (1)理論研究方面
　　 分析了懸浮納米粒子的布朗運(yùn)動(dòng)對(duì)于納米

7、流體內(nèi)部傳質(zhì)過(guò)程的影響，并根據(jù)熱質(zhì)比擬理論，得到了納米流體有效傳質(zhì)擴(kuò)散系數(shù)的準(zhǔn)則方程。通過(guò)對(duì)納米流體傳質(zhì)過(guò)程的理論分析，搞清楚了影響納米流體傳質(zhì)擴(kuò)散系數(shù)的主要因素。
　　 (2)實(shí)驗(yàn)研究方面
　　 根據(jù)Taylor分散法的思路，設(shè)計(jì)出了能夠定量測(cè)量納米流體傳質(zhì)擴(kuò)散系數(shù)的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。測(cè)量了不同溫度(15℃、20℃、25℃)條件下羅丹明B在不同粒子體積份額(0.1％～0.5％)的Cu-水以及Cu-乙二醇納米流體中的擴(kuò)散系數(shù)，研

8、究了納米流體中粒子體積份額、溫度以及基液屬性等因素對(duì)傳質(zhì)的影響。結(jié)果表明懸浮納米粒子的不規(guī)則運(yùn)動(dòng)強(qiáng)化了基液內(nèi)的傳質(zhì)過(guò)程。羅丹明B在納米流體中的擴(kuò)散系數(shù)要大于其在基液中的擴(kuò)散系數(shù)，且擴(kuò)散系數(shù)隨著粒子體積份額的增大而增大。當(dāng)粒子體積份額相同時(shí)，擴(kuò)散系數(shù)隨著溫度的升高而增大。羅丹明B在Cu-水納米流體中的擴(kuò)散系數(shù)要大于其在Cu-乙二醇納米流體中的擴(kuò)散系數(shù)。
　　 本文對(duì)納米流體強(qiáng)化傳質(zhì)所做的理論和實(shí)驗(yàn)上的探索性工作，幫助我們搞清楚了影

9、響納米流體傳質(zhì)的一些主要因素，對(duì)于促進(jìn)納米流體在工程中的應(yīng)用起到了指導(dǎo)作用。
　　 3.納米流體光學(xué)特性研究
　　 影響納米流體光學(xué)特性的重要參數(shù)是納米流體的消光系數(shù)。本文從實(shí)驗(yàn)和理論兩個(gè)方面對(duì)納米流體的消光系數(shù)進(jìn)行了研究。由于納米磁流體有特殊的磁光效應(yīng)，其在光學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用前景比普通的納米流體更加廣泛。本文用新建的理論模型重點(diǎn)研究了納米磁流體在外加磁場(chǎng)作用下的光學(xué)各向異性機(jī)理。
　　 (1)實(shí)驗(yàn)研究方面
　

10、　 根據(jù)薄膜透射原理，建立了可以測(cè)量納米流體消光系數(shù)的實(shí)驗(yàn)方法。首先用該方法測(cè)量了水在不同波長(zhǎng)下的消光系數(shù)，并與文獻(xiàn)值進(jìn)行了對(duì)比。分析表明該實(shí)驗(yàn)方法適合測(cè)量納米流體的消光系數(shù)，有較高的精度。然后用該方法測(cè)量了不同粒子體積份額的Fe3O4-水納米流體的消光系數(shù)，為接下來(lái)的理論研究提供了實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。
　　 (2)理論研究方面
　　 建立理論模型，引入了T矩陣算法，考慮納米流體中粒子的聚集結(jié)構(gòu)特性以及粒子之間的多次散射，建立了

11、一種可以精確計(jì)算納米流體消光系數(shù)的理論方法。用該方法對(duì)不同體積份額的Fe3O4-水納米流體的消光系數(shù)進(jìn)行了計(jì)算，并與本文的實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比。計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果符合的很好。為了研究納米磁流體的光學(xué)各向異性機(jī)理，首先利用本文所建立的動(dòng)力學(xué)方法模擬得到了納米磁流體在外加磁場(chǎng)作用下的微觀結(jié)構(gòu)，然后用本文的理論方法計(jì)算得到了納米磁流體各向異性的消光系數(shù)。利用該方法分析了粒子粒徑、體積份額、外加磁場(chǎng)等因素對(duì)納米磁流體消光系數(shù)的影響。研究結(jié)果表明:

12、在外加磁場(chǎng)作用下，磁性納米粒子會(huì)沿著磁場(chǎng)方向形成鏈狀聚集結(jié)構(gòu)，正是這種各向異性的聚集結(jié)構(gòu)導(dǎo)致了納米磁流體的消光系數(shù)出現(xiàn)了各向異性特征。在平行于磁場(chǎng)方向，納米磁流體的消光系數(shù)小于不加磁場(chǎng)時(shí)的值，且消光系數(shù)隨著磁場(chǎng)強(qiáng)度的增大而減小，直到達(dá)到恒定值;在垂直于磁場(chǎng)方向，若入射光的偏振方向與磁場(chǎng)方向平行，納米磁流體的消光系數(shù)大于不加磁場(chǎng)時(shí)的值，且消光系數(shù)隨著磁場(chǎng)強(qiáng)度的增大而增大;若入射光的偏振方向與磁場(chǎng)方向垂直，納米磁流體的消光系數(shù)小于不加磁場(chǎng)時(shí)