基于分子动力学的纳米相变胶囊及其悬浮液的输运特性研究

Nanoencapsulated phase change material (NEPCM), which represents a benefit leading to the increase of thermal energy storage density and temperature uniformity, holds tremendous promise for the treatment of major diseases and as a media of thermal storage and heat transfer. This project aims to study the principle of nanoparticle transportation and heat transfer mechanism in the suspension and its coupling effects on phase change, by adopting molecular dynamics (MD) simulation, experimental approach and theoretical analysis. The behavior of NEPCM during phase change is described to study melting/solidification properties. We also focus on The interaction between NEPCM and base fluid is analyzed to present the particle distribution, and dynamic and thermodynamic properties of NEPCN suspension, and it reveals the mechanism of particle transport and heat transfer into fluid. Experimental observation is conducted to verify MD simulation results. Furthermore, the effects of related parameters on the entropy production of NEPCM system are demonstrated to propose the corresponding correlation. The results of this project will give a microscopic insight of NEPCM, and also provide a theoretical reference for drug delivery, and design of thermal management systems.

微纳尺度下高效传热/高密度储能是生物医药、微电子机械和储能领域亟待解决的关键科学问题。本申请项目以纳米相变胶囊颗粒在液体中的相变及输送过程为主要研究对象，结合分子动力学模拟方法，可视化试验和理论分析为一体的方式展开工作。研究纳米胶囊的相变行为，揭示纳米相变胶囊相变的微观机理；分析胶囊颗粒与基液的相互作用和热量传递，考察颗粒形貌、流体特性等参数的影响，获得纳米相变胶囊悬浮液的动力学和热力学特性，阐述胶囊在悬浮液中的能质输运机理。基于纳米相变胶囊在悬浮液中的时空分布，分析系统的熵产，揭示体系熵增的作用机制，发展熵产的通用关联式。本项目的研究成果不仅为丰富微纳尺度下相变及输运过程的微观理论奠定基础，还将为药物输送、生物检测、微系统的热设计等领域提供参考。

本项目旨在全面系统的研究微纳尺度下的相变胶囊颗粒固液相变行为和相变悬浮液的流动和传热特性，探索微纳尺度下胶囊的相变机理，以及流体的流动和传热的微观机理分析相变悬浮液的动力学特性和热力学特性，并对整个系统进行熵产分析。根据基金申报书的研究计划，针对相变微纳胶囊及其悬浮液的高效传热进行探讨，已顺利完成研究工作，主要工作内容和结论如下：.（1）采用分子动力学方法，计算相变材料的体积相变以及在受限空间内的相变过程，分析相变行为特性。同时制备了囊芯材料分别为石蜡和十八烷的相变微胶囊。采用扫描电子显微镜观察相变颗粒的表面形态和粒径，而热力学特性（包括相变温度、相变潜热等）可以由差示扫描量热仪（DSC）分析测量。采用冷热试验台对微纳胶囊加热/冷却，用显微镜观测相变过程，分析升温/降温速率、胶囊颗粒粒径、胶囊囊壁物性及压力等参数对相变特性的影响。.（2）对于整个微通道内的相变悬浮液的固液相变、流动和传热的耦合过程，建模计算纯流体、颗粒悬浮液、相变悬浮液的阻力因子和换热系数。改变壁面参数（粗糙度、湿润性）和颗粒参数（粒径、浓度），分析颗粒的相变过程对通道内流体流动换热的影响。.（3）在获得相变悬浮液流动、传热以及相变特性的基础上，分析微通道内相变颗粒参数、流体流动情况以及热量传递过程等因素对熵产的影响，建立准确简洁的熵产关联式，对系统的熵产进行计算，获得影响熵产的决定性因素，为整个热系统的设计和优化提供理论基础。.（4）研制了微通道可视化试验平台，对微通道内的纯流体/含非相变颗粒的悬浮液/相变悬浮液进行可视化试验研究。试验过程中所需的微通道采用石英玻璃，用来拍摄和观测试件。试验系统工作时，针对不同粗糙度和湿润性的微通道壁面内的流体，测试微通道中流体的流动和换热参数，测量数据由数据采集仪采集输出。通过调节压力、加热功率、颗粒粒径和密度等参数，测量相变胶囊悬浮液的阻力系数和换热系数，分析了其强化传热作用。