纳米颗粒两相流中颗粒动力学演变及对流传热和阻力特性的研究

摘要

纳米颗粒两相流普遍存在于自然界中，并且在工程热物理、材料、能源、食品、医疗与药品等领域有着非常广泛的应用。生活中常见的烟、尘、雾、霾等细微颗粒物悬浮在气体中的分散体系被称为气溶胶，这就是最典型的气固、气液纳米颗粒两相系统。近几年我国各地频发灰霾现象，空气中粒径在100纳米以下的颗粒极易被人体呼吸系统吸入并沉积在肺泡上，严重损害了人们的身体健康。在工程领域，将不同尺寸和形状的纳米颗粒分散到传统换热介质中，制备出均一稳定的液-固纳米颗粒两相悬浮液，并应用于热交换的流动中，可以提高换热过程的效率，从而达到节能减排的效果。
　　常见的纳米颗粒两相流动系统通常包含着数目极大且跨尺度的颗粒，所以在研究其动力学演变时需着眼于颗粒群的统计规律，求解基于纳米颗粒尺度分布函数构建的颗粒通用动力学方程。该方程通过综合考虑颗粒相发生的成核、凝并、破碎、相变、化学反应等多种动力学事件，并结合流场中对流、扩散和外力场等对颗粒输运的外部影响来描述颗粒的动力学演变过程。尽管该方程有着多尺度、非线性、复杂性等特点，但矩方法等数学物理方法已被被提出用于对其进行快速和精确地数值求解，从而实现对气溶胶或纳米流体等两相流的流动特性进行分析和预测。
　　本文围绕纳米颗粒两相流场，全面考虑纳米颗粒两相流动中的质量传递、动量传递和能量传递过程，从零维系统到三维流场中颗粒的时空演化、从内部流场到外部流场、从层流流动到湍流流动、从球状纳米颗粒到非球状纳米颗粒、从单向耦合到双向耦合，以数值模拟为主，辅之以理论和实验方法，研究了颗粒动力学演变及流场的对流传热和阻力特性，揭示了相关流动现象的机理，总结了一些规律，对未来的研究及应用给出了展望。
　　首先，本文推导了含(n/3)阶矩量的纳米颗粒布朗凝并的直接展开矩模型，发现该模型有着较高的精度和计算速度，并且能直接地反映颗粒相关物理量在流场中发生凝并事件时的演变。接着，结合大涡模拟方法，首次将直接泰勒展开矩方法应用于平面射流场内纳米颗粒两相流的计算，验证了方法有效性的同时，分析和比较了各阶矩量及颗粒物理参数在流场中的演变规律。通过将气溶胶在高压腔体中通过喷嘴释放，在实验中将纳米颗粒积聚体弥散到了接近初级粒径的分布。同时，利用矩方法，又对高压释放射流流动中纳米颗粒的弥散过程进行了数值模拟。通过将数值结果与实验结果比较，分析了纳米颗粒在高压喷射弥散过程中的机理，并且结合相关理论和数据，探讨了弥散效果与压差等的关系。
　　此外，本文构建了非球状纳米颗粒两相流的耦合数值计算模型，研究了槽道中含圆柱状纳米颗粒的两相流场的对流传热和阻力特性，给出了圆柱状纳米颗粒两相层流流动的努赛尔数计算公式。最后，针对更为复杂的湍流流态，模拟了圆管中圆柱状颗粒纳米流体的湍流流动，探讨了颗粒的取向以及两相流的对流传热和阻力特性，对纳米流体湍流强化传热中颗粒形状及体积分数的影响进行了分析，发现通过增加纳米流体的颗粒浓度，相比较增加非球状颗粒的长径比而言，在略微增加阻力的同时更能明显地提升对流换热强度，这可能是在工业应用中提高纳米流体换热性能更为有效的方法，该方法对于提高含非球状颗粒的纳米流体的换热性能以及利用圆柱状纳米颗粒制备纳米器件有一定的理论和实际指导意义。

目录

声明

论文说明

致谢

摘要

符号表

第1章 绪论

1．1 研究背景和意义

1．2 纳米颗粒两相流的研究方法

1．3 纳米颗粒两相流的研究进展

1．4 本文的研究内容和创新点

第2章 基础理论

2．1 纳米颗粒受力及运动分析

2．1．1 Stokes阻力及其Cunningham修正

2．1．2 布朗运动及扩散

2．2 纳米流体的黏度和阻力系数

2．2．1 黏度

2．2．2 阻力系数

2．3 纳米流体的传热特性

2．3．1 热力学性质

2．3．2 导热系数

2．3．3 对流传热

2．4 颗粒通用动力学方程及其矩方法

2．4．2 颗粒动力学事件及其核模型

2．4．3 矩方法

2．5 圆柱状颗粒悬浮流的本构方程

2．5．1 悬浮流的本构方程

2．5．2 圆柱状颗粒的取向概率分布

第3章 含(n／3)阶矩的布朗凝并直接泰勒展开矩方法

3．1 引言

3．2 理论推导

3．3 结果与讨论

3．4 结论

4．1 引言

4．2 理论模型

4．2．1 流场控制方程

4．2．2 颗粒输运方程

4．2．3 直接泰勒展开矩方法

4．3 数值方法

4．4 结果与讨论

4．4．1 流场验证

4．4．2 颗粒数密度

4．4．3 颗粒粒径分布

4．4．4 颗粒多分散性和标准偏差分布

4．5 结论

第5章 纳米颗粒喷射弥散的演化研究

5．1 引言

5．2 实验装置及方法

5．3 理论模型

5．3．1 流场控制方程

5．3．2 颗粒控制方程

5．4 数值方法

5．5 结果与讨论

5．5．1 流场分析

5．5．2 数值验证

5．5．3 机理分析

5．5．4 高压释放弥散特性

5．5．5 凝并与破碎

5．6 结论

第6章 圆柱状纳米颗粒悬浮层流流场的传热和阻力特性研究

6．1 引言

6．2 理论模型

6．2．1 圆柱状纳米颗粒悬浮流的控制方程组

6．2．2 颗粒取向分布的控制方程

6．2．3 颗粒浓度分布的一般动力学方程

6．3 数值方法

6．4 结果与讨论

6．4．1 速度分布

6．4．2 温度分布

6．4．3 阻力系数

6．4．4 对流传热

6．5 结论

第7章 圆柱状纳米颗粒悬浮湍流流场的传热和阻力特性研究

7．1 引言

7．2 理论模型

7．3 数值方法

7．4 结果与讨论

7．4．1 结果验证

7．4．2 取向张量

7．4．3 阻力系数

7．4．4 对流传热

7．5 结论

第8章 总结与展望

8．1 全文总结

8．2 工作展望

参考文献

攻读博士学位期间主要研究成果