纳米颗粒聚集结构模拟及导热系数研究

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---------------------------------------------------------------范文最新推荐------------------------------------------------------纳米颗粒聚集结构模拟及导热系数研究摘要采用连续算法，对纳米颗粒聚集结构的微观近似模型进行数字生成。根据Bruggeman模型对纳米颗粒聚集结构的传热特性进行分析和计算，并将计算所得聚集结构的有效导热系数引入MG模型，进一步对氧化铜纳米颗粒悬浮液的有效导热系数进行计算。采用以上方法及单元体传热模型，计算不同条件下二氧化硅气凝胶的有效导热系数，分析气凝胶导热系数随结构参数、温度和压强变化的一般规律。通过与实验测得数据的对比，验证了以上方法和计算过程的可行性及合理性。关键词聚集体分形理论气凝胶有效导热系数9008毕业设计说明书（论文）外文摘要TitleImitationofNanoparticleClustersandResearchofEffectiveThermal9/10 ---------------------------------------------------------------范文最新推荐------------------------------------------------------纳米颗粒聚集结构模拟及导热系数研究摘要采用连续算法，对纳米颗粒聚集结构的微观近似模型进行数字生成。根据Bruggeman模型对纳米颗粒聚集结构的传热特性进行分析和计算，并将计算所得聚集结构的有效导热系数引入MG模型，进一步对氧化铜纳米颗粒悬浮液的有效导热系数进行计算。采用以上方法及单元体传热模型，计算不同条件下二氧化硅气凝胶的有效导热系数，分析气凝胶导热系数随结构参数、温度和压强变化的一般规律。通过与实验测得数据的对比，验证了以上方法和计算过程的可行性及合理性。关键词聚集体分形理论气凝胶有效导热系数9008毕业设计说明书（论文）外文摘要TitleImitationofNanoparticleClustersandResearchofEffectiveThermal9/10 ---------------------------------------------------------------范文最新推荐------------------------------------------------------ConductivityAbstractTheapproximatemicroscopicmodelofnanoparticleclustersisnumericallyestablishedbytheSequentialAlgorithm.TheanalysisandcalculationofheattransferinaggregatedstructureofnanoparticlesisbasedontheBruggemanModel.InordertocalculatetheeffectivethermalconductivityofnanoparticlesuspensionofCuO,theresultobtainedbytheBruggemanModelisusedintheMGModel.Theeffectivethermalconductivityofsilicaaerogelindifferentconditioniscalculatedbythemethodaboveandunitcellmodel.Andtheresultshowsthatthegeometricparametersofaerogel,temperatureandpressurehaveaninfluenceontheeffectivethermalconductivityofsilicaaerogel.Themethodandprocessofcalculationisprovedtobefeasibleandreasonablebycomparingthecalculationwithexperimental9/10 ---------------------------------------------------------------范文最新推荐------------------------------------------------------data.Keywordsaggregatefractaltheoryaerogeleffectivethermalconductivity目次9/10 ---------------------------------------------------------------范文最新推荐------------------------------------------------------由纳米级胶体粒子或高聚物分子构成的气凝胶，作为纳米材料的一种，因其纳米多孔及三维网络结构，具有密度小，孔隙率高（最高可达99%以上）等特点，常温下SiO2气凝胶的热导率仅为0.02W/(m•K)，是一种理想高效的隔热材料。然而气凝胶的力学性能较差，因此许多研究者将气凝胶与其他材料复合制成复合材料以增强其力学性能，其中以硬硅钙石-气凝胶和陶瓷纤维-气凝胶为主要形式[3]。热导率是隔热材料的重要物性参数，但由于纳米材料复杂的空间网络和多孔结构，虽然一部分传统的流体力学、传热学理论和相应的公式及其边界条件在进行一定的修正之后，仍能对其微观系统进行适当的描述。但是这些传统方法的使用在此类研究中收到很大的限制，以致除实验测得外，几乎没有其他可行的方法能准确获得此类多孔材料的有效导热系数。因此，如何从微米、纳米的尺度上揭示微观结构中动量和能量的传输规律，对气凝胶等纳米材料的传热特性进行准确的计算和预估，仍是纳米材料在隔热领域内应用过程中需要研究和探索的问题。1.2研究现状1.3本文的主要工作本文主要针对纳米聚集颗粒的结构及传热特性进行研究，根据该结构的微观近似模型来计算其有效导热系数。在此基础上，利用以上计算结果，进一步研究纳米材料的传热模型及有效导热系数。在本课题研究中的主要工作如下：1）根据纳米聚集颗粒的分形特性，分析了建立其微观近似模型的两种算法——连续算法和集群聚集算法，并采用连续算法通过编程实现二维近似模型的建立。2）根据建模结果，利用Bruggeman模型对纳米聚集颗粒的有效导热系数进行分析。3）将纳米聚集颗粒的有效导热系数和空间分布函数引入MG模型，计算氧化铜纳米颗粒悬浮液的有效导热系数，并对其中颗粒的尺寸效应和表面吸附作用进行分析。其中，和分别表示第i个小球的球心和由N个小球构成聚集体的中心，式（3）描述了和的关系。（3）根据以上所述，对于纳米颗粒聚集体结构模型的构建，可以通过利用模仿自然界中分形几何形状生成的算法来进行数字生成而实现。在本文中，主要考虑和分析了两种算法——连续算法（SA）和集群聚合算法（CCA）[6]。2.9/10 ---------------------------------------------------------------范文最新推荐------------------------------------------------------2连续算法（SA）连续算法（SA）描述的是孤立小球与集群之间的聚合现象，要求小球是逐个添加的，且每一次添加的小球中心位于方程（4）[6]所确定的球面上。（4）其中，是前N-1个小球的重心。此外，第N个小球不能与前N-1个小球重叠，并且至少有一个接触点。算法的每一步都满足分形特性（1），重复以上过程，即可得到纳米颗粒聚集结构的近似模型，效果如图2.2[6]。图2.2通过连续算法生成，由724个球体组成且分形维数=1.8，分形系数9/10 ---------------------------------------------------------------范文最新推荐------------------------------------------------------=1.3的聚集体连续算法（SA）计算简便、快捷，其大量的重复过程可以通过VB编程实现。该算法可以生成聚集体的分支结构，但结构模型有较为明显的中心（起点），这在实际的纳米颗粒聚集结构中并不存在，因此会在物性计算中产生误差。2.3集群聚合算法（CCA）在集群聚合算法（CCA）中，聚集行为是分层发生的。第一层由少量小球通过连续算法（SA）生成小的集群，下一层则是小的集群之间通过进行移动、旋转进行聚集，直至集群之间至少有一个接触点并且没有重叠，而后进行下一个层次更大规模的集群结合，最终建立聚集体结构近似模型，如图2.3[6]所示。9/10 ---------------------------------------------------------------范文最新推荐------------------------------------------------------为了便于观察，将坐标导入到三维可视化软件Amira中，即可生成三维模型。在不同参数设定下，VB生成的二维模型与导入Amira生成的三维模型结果如图2.6～图2.9图2.4程序流程图图2.5小球位置选择示意图（a）VB生成的二维模型（b）导入Amira生成的三维模型图2.6n=200,=1.3，=1.8时利用连续算法生成的近似模型（a）VB生成的二维模型（b）导入Amira生成的三维模型图2.7n=200,=2.3，=1.8时利用连续算法生成的近似模型（a）VB生成的二维模型（b）导入Amira生成的三维模型图2.89/10 ---------------------------------------------------------------范文最新推荐------------------------------------------------------n=400,=1.3，=1.8时利用连续算法生成的近似模型（a）VB生成的二维模型（b）导入Amira生成的三维模型图2.99/10 ---------------------------------------------------------------范文最新推荐------------------------------------------------------n=400,=1.8，=1.8时利用连续算法生成的近似模型3氧化铜悬浮液有效导热系数的计算3.1聚集结构有效导热系数的计算对纳米颗粒聚集结构直接进行传热特性分析比较困难，因此，为了计算其有效导热系数，需要建立近似模型。王补宣等[14]在研究纳米颗粒悬浮液有效导热系数的过程中，介绍了几种分形模型在不同条件下的应用情况。其中，MG(Maxwell-Garnett)模型需假设颗粒是球形的，适用于颗粒浓度较低，并且随机分布于液体介质的情况。而根据纳米颗粒聚集结构中颗粒浓度较大的特点，可利用Bruggeman模型来对其传热特性进行分析，计算其有效导热系数，将计算结果引入MG模型，便可计算得到纳米颗粒悬浮液的有效导热系数。氧化铜纳米颗粒悬浮液的简化模型如图3.1。图3.1氧化铜悬浮液简化模型9/10