纳米尺度下液固悬浮流体和混合流体的热质输运特性

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1、博士学位论文纳米尺度下液固悬浮流体和混合流体的热质输运特性学位申请人：孙成珍指导教师：白博峰教授，卢文强教授学科名称：动力工程及工程热物理2014年6月NanoscaleHeatandMassTransportofLiquid-SolidSuspensionsandMixtureFluidsAdissertationsubmittedtoXi’anJiaotongUniversityinpartialfulfillmentoftherequirementforthedegreeofDoctorofEngineeringScienceByChengzhenSunSuperv

2、isor:Prof.BofengBai,Prof.WenqiangLuPowerEngineeringandEngineeringThermophysicsJune2014摘要①论文题目：纳米尺度下液固悬浮流体和混合流体的热质输运特性学科名称：动力工程及工程热物理学位申请人：孙成珍指导教师：白博峰教授，卢文强教授摘要在纳米尺度下，一些在宏观尺度下可以忽略的力起主导作用，导致流体展现出了很多特殊的性质（如壁面附近的速度滑移等），使得纳流控学（Nanofluidics）应运而生，在近十年中得到了飞速发展。当流体中加入具有纳米尺度的物质或流体被限制在纳米尺度的空间内时，由于引入

3、了大量的流-固界面，体积力作用减弱而表面力作用增强，流体的输运特性会强烈地依赖于界面特性，并且展现出鲜明的特殊性，如各向异性和空间尺度依赖性等。本文旨在研究纳米尺度下液固悬浮流体和混合流体的热质输运特性，为新型传热工质的工业应用、纳流控器件的设计制造提供理论基础，推进高效热传输和纳流控技术在电子器件冷却、气体分离和氢气储藏等领域的实际应用。本文首先通过建立的旋转库埃特流测量装置和提出的分子动力学（MD）模型研究了剪切流场中纳米流体的热输运特性，然后MD模拟研究了纳米通道中纳米流体与二元混合流体的热输运特性，最后结合MD方法和理论分析研究了混合气体分子在石墨烯纳米孔中的质量

4、输运特性。主要结论如下：深入认识了剪切流场中纳米流体等效热导率（ETC）增加的机理，获得了参数影响规律，给出了预测ETC的定量关联式，揭示了液固悬浮流体热输运特性的颗粒纳米尺度效应。发现低剪切速率时ETC随着剪切速率的增加而增加，而当剪切速率大于一个临界值时ETC保持恒定，这跟纳米流体中颗粒团聚体随着剪切速率的增加而逐渐消失有关。纳米颗粒体积分数和直径越大，ETC随着剪切速率的增加越明显；流体温度越高，颗粒团聚体不易形成，ETC随着剪切速率的变化减弱，剪切流场中最大ETC与静态热导率比值减小。发现剪切流场中液固悬浮流体热输运特性的颗粒纳米尺度效应非常明显，预测普通液固悬浮

5、流体（微米级颗粒）ETC的传统关联式从定性和定量上都不适用于纳米流体，最后本文基于实验数据提出了预测纳米流体ETC的指数型关联式。基于MD模型，发现了纳米颗粒的定向旋转效应，其促进了颗粒周围流体原子间的相对运动，增强了纳米流体的热输运能力。发现了纳米流体和二元混合流体在纳米通道中热输运的各向异性和热输运能力增强的新现象，并阐明了其机理及参数影响规律，揭示了纳米通道中这两类流体热输运特性的纳米尺度效应。发现纳米流体在纳米通道中表现出了完全不同于纯流体的流动特性，如在壁面附近和通道中间都出现数密度波动、具有非线性特征的库埃特流速度本研究得到国家自然科学基金面上项目（No:50

6、876111,No:50936006）、创新群体（No:51121092）和动力工程多相流国家重点实验室开放课题的共同资助。I西安交通大学博士学位论文剖面等。发现纳米流体在纳米通道中的热输运特性呈现明显的各向异性，壁面使得流体在通道高度方向的运动减弱，导致其热导率小于平行于壁面方向的热导率。指出壁面原子与流体原子（尤其是颗粒原子）之间很强的相互作用是引起平行于壁面方向的热导率远远大于宏观尺度下纳米流体热导率的主要原因，随着通道高度的减小和颗粒直径（体积分数）的增加，该热导率继续增加。类似于纳米流体，纳米通道中Ar-Kr二元混合流体的热输运特性也呈现各向异性，并且平行于壁面

7、方向的热导率大于其宏观值；混合流体的热导率随着Kr原子的体积分数发生变化，体积分数越大，热导率越高；纳米通道中加入外部驱动力形成泊肃叶流后，流动方向的热导率会继续增加。深入研究了四种不同气体分子（He、H2、N2和CH4）在石墨烯纳米孔中的渗透过程，查明了分子渗透的2种物理机制，构建了相应的理论模型，揭示了纳米孔中混合气体分子质量输运特性的纳米尺度效应。发现石墨烯纳米孔越大，分子渗透通量越大，同一纳米孔下气体分子的渗透通量与分子的大小和在石墨烯表面的吸附强度都有关。提出了“直接渗透”和“表面渗透”概念，量化了“直接渗透”和“表