边壁区纳米颗粒性态对悬浮液流动与传热的影响

纳米颗粒悬浮液的流动和传热特性是近年广为关注的热点。已有研究表明，纳米颗粒空间分布及其迁移、滑移等动态特征是影响悬浮液流动与传热特性的重要因素，但鲜有报道涉及纳米颗粒的性态和行为与流动和传热的耦合作用，未能认识其强化或弱化传热的机理，更未涉及边界层和近壁区的流动和传热。申请人已系统研究了纳米颗粒的形态、团聚和分布特征等因素对悬浮液有效导热系数和粘度的影响，本项申请将进一步针对悬浮液流动和传热，通过实验观测、理论描述纳米颗粒及团聚体与流体和壁面的相互作用，相互作用下的颗粒迁移、团聚、破碎规律，以及所引起的流体流动不均匀性，特别是局部流动和传热等现象的认识，理论探析存在复杂颗粒性态和行为时纳米颗粒悬浮液边壁区流场和温度场特性，分析纳米颗粒对悬浮液流动与传热影响的内在规律，揭示纳米颗粒悬浮液传热传质与流动特性的一般规律，为进一步的理论研究奠定基础，同时也可为相关实际应用提供理论依据。

纳米流体的流动和传热特性是近年广为关注的研究热点，边壁区纳米颗粒对流体流动与传热影响的内在规律为进一步的理论研究奠定基础。首先，本项目研究在己有工作基础上，实验观测了微加热面近壁区流体速度场空间分布规律研究，获得荧光示踪颗粒的布朗扩散系数，结果表明Brown运动作用在近壁区尤为显著，并且即使在低热流密度条件下热泳运动与Brown运动相比仍可忽略。其次，根据近壁区流体流场测量的实验情况，建立了相应的流体自然对流传热数理方程，得到的速度场、温度场和Brown扩散系数的变化趋势，结果表明微尺度下的自然对流仍保持连续介质假设。建立了近壁区纳米颗粒影响流体自然对流传热的数理方程，通过数值模拟得到了纳米流体自然对流时微加热面近壁区的速度场和温度场，计算了相应的Nusselt数，并与考虑受热圆柱表面尺寸效应的Nusselt数关联式进行比较分析，分析表明表面对流传热系数显著强化，近壁区纳米颗粒Brown运动和热泳运动受限导致加热表面过热度偏小，近壁区速度梯度急剧增大导致纳米颗粒与液体分子间产生局部滑移，纳米颗粒的添加使纳米流体有效导热系数提高，这些因素导致纳米流体近壁区Nusselt数远高于纯水。最后，实验观测了加热面近壁区相界面附近的纳米颗粒行为以及流体界面特性的改变对流体流动和传热的影响，观测到纳米颗粒团聚体在近壁区的回旋行为和絮状沉积行为，通过扫描电镜照片表征了纳米颗粒沉积层的微观形貌，分析表明加热面近壁区形貌特征尺度的降低可显著提高纳米流体临界热流密度等传热性能。本项目研究为进一步实验与理论研究打下了基础，具有广阔的实际应用前景。项目研究按计划进行，执行结果主要反映在己发表或录用的16篇论文及参加的4场国际学术会议中，已培养研究生3名。