非独立散射对纳米颗粒团聚及纳米流体热辐射特性的影响

纳米流体是一种新型的传热工质，其强化传热效应已被广泛研究。纳米流体作为太阳能直接吸收工质和光伏发电分频介质可能会具有较好的应用前景，而其热辐射特性的研究对于这些应用非常重要。纳米流体属于含粒子介质，其热辐射特性由纳米颗粒和基液共同决定。对含粒子介质，研究人员通常将粒子系的散射处理为独立散射。但是纳米流体中颗粒间距和热辐射波长相比较少；且纳米颗粒在制备和使用中容易发生团聚。这些因素造成纳米流体对热辐射的散射偏离了独立散射的前提条件，理论研究中必须考虑颗粒间的非独立散射。本项目研究非独立散射对纳米颗粒团聚和纳米流体热辐射特性的影响。通过理论分析、计算机模拟和实验测量，得出非独立散射和独立散射的区域划分标准及非独立散射近似理论的适用条件。本项目研究成果可以为相关领域的研究工作提供参考，并有助于精确分析纳米流体热辐射特性的调控机理，为根据需求设计纳米流体、提高太阳能转换效率服务。

由于纳米流体中纳米颗粒对太阳辐射有不同的吸收特性，纳米流体在直接吸收式太阳能集热系统和光谱分频发电系统中具有潜在的应用价值。纳米流体热辐射特性的研究对于这些应用非常重要。纳米流体可以看成纳米颗粒分散在基液中形成的粒子系。粒子系热辐射特性的理论研究中常常将粒子系散射处理为独立散射，但纳米流体体系中纳米颗粒容易发生团聚，团聚体中颗粒间的散射可能会相互影响。因此，这种方法是否适用于含团聚体的纳米流体是值得研究的课题。本项目通过理论分析、计算机模拟和实验测量，研究非独立散射对纳米颗粒团聚和纳米流体热辐射特性的影响，考察独立散射理论模型在模拟纳米流体热辐射物性中的准确程度，得出独立散射近似理论的适用条件。.本项目分别采用两步法和一步法制备了多种纳米流体，研究了颗粒材料、质量分数、基液、光程等因素对纳米流体热辐射物性的影响规律。颗粒材料包括SiO2、MgO、Al2O3、ZnO、ZrC、TiN等，基液包括水、乙二醇和导热油等。研究发现纳米流体的热辐射特性不仅和颗粒光学性质有关，与基液光学性质也有密切关系。当颗粒在某个波段吸收和散射较弱、而基液吸收较强时，基液吸收是热辐射被纳米流体吸收的主要因素。当颗粒在某个波段具有强吸收特性，颗粒吸收是热辐射被纳米流体吸收的主要因素。对于两步法制备的纳米流体，微观表征（TEM）结果显示出纳米流体中颗粒团聚现象比较明显。如果采用独立散射理论模型，无论是使用颗粒名义直径、还是颗粒粒径分布函数，得出的理论模拟结果和实验测量值偏差较大。通过实验测量值反演得到的颗粒团聚体对应的等效球直径为颗粒名义直径的6倍左右。研究结果表明，独立散射理论模型无法准确预测含颗粒团聚纳米流体的热辐射物性。对于一步法制备的纳米流体，微观表征（TEM）结果显示出纳米流体中颗粒分散优良，基本没有颗粒团聚。通过对比理论和实验结果，发现使用独立散射理论模型的预测值和实验值能够较好吻合。该结论在纳米流体质量分数较高(<10%)时依然成立，说明颗粒团聚而不是质量分数是造成纳米流体中需要考虑非独立散射效应的主要因素。项目的研究也发现ZrC纳米流体、TiN纳米流体具有优良的太阳辐射全波段吸收性能，而MgO 纳米流体和SiO2纳米流体对太阳辐射具有选择性吸收特性，可以适应不同的应用需求。本项目研究成果对准确分析纳米流体热辐射特性有一定的参考价值，可以促进纳米流体应用于太阳能领域的相关研究。