潜热型功能流体在微纳尺度下固液相变及其流动特性的研究

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1、⋯嘶ig⋯⋯吨㈣Y2272852CharacteristicsofEncapsulatedPhaseChangeMaterialSlurriesinMicro／Nano．ScaleADissertationSubmittedtoSoutheastUniversityFortheAcademicDegreeofDoctorofEngineeringByWangYanSupervisedbyProf．ChenZhenqianProf．KeblinskiPawelProf．HaoYingliSchoolofEnergy&EnvironmentalSoutheastUniversityJun．

2、2012东南大学学位论文独创性声明本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同：I_=作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文I

3、1作了明确的说明并表示了谢意。研究生签名：遣日期：递!互：2：墨东南大学学位论文使用授权声明东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。

4、除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布(包括刊登)论文的全部或部分内容。论文的公布(包括刊登)授权东南大学研究生院办理。研究生签名：迸导师签名：铘望∑日期：感谢国家重点基础研究发展计划(973)基金(NO．2006CB300404)国家自然科学基金(NO．50676020)资助中文摘要摘要随着航空航天、能源工程、微加工和微电子机械系统(MEMS)等技术的发展，发热器件越来越小型化和高度集成化，工作时的热流密度越来越高。而传统的热设计和冷却系统已越来越难满足其传热要求，因此，迫切需要设计出具有更高传热效率的微冷却系统。与此同时，能量的储存和应用在最近二十年得到广泛重视。

5、内部封有相变物质的微纳胶囊颗粒与液体混合制成的潜热型功能热流体在传热和储能方面有着良好的应用前景。本文采用分子动力学方法对受限在狭小空间内的相变微纳胶囊的固液相变进行模拟，探讨界面热导，并对存在纳米颗粒的悬浮液在纳米通道内的流动和传热特性进行研究。本文综述了微纳尺度下含微纳相变胶囊的潜热型功能热流体的研究现状和手段，对如何将分子动力学方法应用于功能热流体的研究进行了深入系统的阐述。在此基础上，首先对物质的相变进行模拟，材料包括无机物氩和有机物辛烷。对固体氩的相变，本文模拟了其体相相变和与单壁面接触的情况，对于辛烷，我们模拟了多种情况来探讨其固体或气体界面对相变过程的影响，模拟主要包括辛

6、烷的体相相变，表面熔化，与单壁面接触以及受限在壁面内的四种情况。结果表明，不论是无机物还是有机物，存在自由界面时，熔化是从自由界面开始的，不存在自由界面的结构，相变过程从物质的内部开始发生，且在有机物相变过程中，将产生很大的过热度。同时系统加热过程中的热膨胀和加热速率过快，都会使得系统不能充分弛豫，得到平衡，导致过热。在对辛烷及其相变微胶囊的熔化进行分子动力学模拟之后，又采用粗粒化模拟的介观方法对介观尺度下辛烷的相变行为进行模拟，并采用DSC扫描和冷热台进行加热实验进行验证，得出二者的相变热力学特性结果基本一致。在进行冷热台实验时，考虑了升温／冷却速率对相变动力学的影响。实验结果证实了

7、与分子动力学模拟一致的相变动力学特性，自由界面的存在会有效的降低熔化势垒，能在较低或稍低的温度下，便开始发生相变，升温速率的增大会促使物质发生过热。在进行完熔化实验后，还对物质的冷凝过程也进行了观测，虽然二者在理论上是相逆的过程，但实际过程中二者的发生常常是不可逆的，熔点和凝固点存在一定的差异。然后，采用非平衡分子动力学模拟，给模拟体系加以温度梯度，探讨硅一辛烷体系和L．J固液界面有无纳米尺寸的粗糙度下的热阻。我们发现体系界面处都存在着很大的温差。对于同种物质，由于固液界面能够良好的接触，其导热系数强于同．同界面的导热系数。控制界面热导的关键因素在于液体和固体之间的结合强度。此外，在粗

8、糙固液界面下，界面热导存在着明显的亲水性一疏水性的转变。有趣的是，在不考虑模拟体系结构的情况下，粗糙和光滑界面的热导随界面结合能有相同的变化。在考虑界面热导的同时，也考虑了壁面效应对流体动力学的影响，结果表明，壁面处流体密度呈现振荡现象，在亲水性界面，最靠近壁面的那层流体分子，由于流体与界面之间的相互作用，而被锁住，流体速度与壁面速度接近，而粘度急剧上升，但在疏水性界面处，二者作用力很小，因T!茎塑茎此，粘度虽有所增长，但变化不是太大。最后，本