幂律非牛顿流体介质反常传热特性研究

The non-Newtonian fluid complex flow, heat and mass transfer processes occur widely in nature, engineering and the actual production. Understanding the heat, mass transfer characteristics and mechanism is important basis for a lot of designs of industrial equipments. The laws of general application in the study of Newtonian fluid classical law (Newton's law of viscosity, Fourier law of heat conduction, Fick diffusion law, etc.) can no longer be used accurately to describe the complex characteristics and physical mechanism in non-Newtonian fluid transport processes. This project, based on the engineering thermal physics, fluid mechanics and applied mathematics multidisciplinary, in view of the analogy theory of boundary layer viscous diffusion in velocity field with the heat diffusion in temperature field, presents a study for the complex transfer behavior for Non-Newtonian fluid medium in terms of the theoretical analysis, numerical simulation and the experimental observations and measurements, to look at the features and physical essence and to reveal its inherent laws of the velocity field and the temperature field and to explore the constitutive relations of describing non-Newtonian fluid media boundary layer abnormal heat transfer processes and governing equations; The aim is to provide the basis, ideas and methods for the scientific research and engineering applications.

非牛顿流体介质复杂流动、传热传质过程广泛出现在自然界和工程生产实际，理解其热量、质量传递特性和机理是进行很多工业设备设计的重要基础。牛顿流体研究中普遍应用的经典规律（牛顿粘性定律、傅立叶导热定律、菲克扩散定律等）不能准确描述非牛顿流体介质传递过程中力、热、质输运的复杂特性和物理机制。项目基于工程热物理、流体力学及应用数学多学科交叉，冀以边界层速度场粘性扩散和温度场热量扩散比拟理论，从理论分析、数值模拟和实验研究等多方面来审视非牛顿流体介质输运过程边界层速度场、温度场关联特性和物理本质，揭示其内在规律，探求描述非牛顿流体介质输运过程反常传热的本构关系及控制方程组；旨在为相关科学研究和工程应用提供依据、思路和方法。

项目走多学科交叉的技术路线，基于近代数学、流体力学和传热传质学中的理论和方法，从理论分析、数值模拟和实验验证等方面对于幂律非牛顿流体剪切流动与传热问题开展了系统研究，取得了一些创新性研究成果。发表SCI论文60余篇，出版英文专著一部。按中科院JCR分区统计：一区6篇，二区23篇， 影响因子大于1.0 的46篇（29篇大于2.0，3篇大于3.0，2篇大于5.0)。SCI他引共计400余次，包括挪威科学与文学院院士Ioan Pop,俄罗斯自然科学院Vladimir V. Uchaikin 院士和Andrei D. Polyanin 院士，巴基斯坦科学院 Hayat院士课题组等。 6篇论文篇论文入选全球前百分之一高被引论文(1%)，其中4篇论文入选全球前千分之一(0.1%) 热点论文。.项目提出剪切流动与传热速度场粘性扩散与温度场热扩散比拟原理，依据流体特性对非牛顿流体傅立叶导热定律进行重构，提出相应流变特性的修正的傅里叶热传导定律。推导出修正边界层能量方程并求解。分析流体粘性系数、导热系数，辐射、多孔介质、粘性耗散、磁场影响、内热源、Hall效应、化学反应对速度场和温度场影响。研究了幂律流体为基液纳米流体Marangoni对流及有限厚度薄液膜等复杂流动、传热传质问题，推导出幂律流体为基液的纳米流体薄液膜非稳态参数临界值表达式。研究了具有速度滑移或温度跳跃条件的纳米流体边界层输运问题；将分形介质理论、分数阶微积分引入粘弹性流体及磁流体力学研究，对典型粘弹性磁流体的剪切流动、传热传质问题分析建模。 提出了修正的分数阶导数描述的粘弹性流体傅里叶热传导定律和菲克扩散定律本构方程，推导出磁流体多级数时间分数阶模型和多孔介质下变粘度分数阶微分耦合模型以及浮升力引起的粘弹性流动与传热耦合模型，建立了具有速度滑移和温度跳跃型边界条件的流动及传热模型。出版专著一部: 《Modeling and Analysis of Modern Fluid Problems》(ISBN: 978-0-12-811753-8) Elsevier Academic Press,2017年6月。以研究方法为主线，求解实例相结合，系统阐述了非线性偏微分方程的求解方法及其在不同物理问题中的应用，为从事复杂流动、传热传质等研究的教学和科研工作者提供数理分析的参考。