纳米流体固液两相输运模型及热传导研究

摘要

20世纪90年代以来,学者们逐渐开始将纳米材料技术的研究应用于强化传热领域,纳米流体,作为新一代高效传热冷却材料,不仅具有高的稳定性,而且其导热系数高于传统的悬浮液。虽然目前已经有许多关于纳米流体热导率增加的研究,但仍然没有一个模型能很好的阐明这种热导系数增加的机理,也没有一个可靠的理论能预测纳米流体的热传导率。
　　 从实验数据结果可以了解,纳米流体的热传导率主要是与基础溶液和纳米颗粒的热传导率、纳米颗粒的体积浓度、尺寸和基础液体的温度有关。
　　 本文从运动论层次出发,将纳米流体看作为两相流体:纯流体相和悬浮离散颗粒固体相,考虑到流体对固体的作用及反作用、粒子与粒子之间的作用、布朗运动,从输运理论角度,对纳米颗粒能提高热传导性能的机理进行分析。对于流体相的描述运用流体力学连续方程、动量方程,而对于悬浮离散颗粒固体相描述是基于统计物理的Fokke-Planck方程,建立了纳米流体两相流的输运理论模型。与目前的模型相比较,本文不仅考虑了纳米粒子的布朗运动外,而且考虑了粒子与粒子之间的相互作用(碰撞)效应。通过对耦合方程的数值计算,获得了基础液体的流速分布与纳米粒的分布函数,在此基础上定量的分析了粒子尺度、粒子体积百分率及温度对纳米流体热传导的影响,并对纳米流体热传导系数增强的机理进行了分析,其理论模拟结果与实验结果较吻合。