依赖于剪切速率的非牛顿/基纳米流体导热特性研究

In many fields of new materials research, design and molding and the working fluid media used for advanced heat exchanging are involved to the problem of shear flow (rheology) and heat transfer of nanofluids prepared from non-Newtonian fluids. The nanofluids based on non-Newtonian fluid, due to the un-equilibrium of the fluid density and the nanoparticles. Under the shear flow (rheology) of the external pressure field, the fluid medium and the micro mass transport of the nanoparticles appear to be “strange or unusual” physical and chemical properties. It was found that these special characteristics are associated with shear rate and classical methods commonly used for studying of Newtonian fluid is no longer applicable...This project, based on modern mathematics, physics and fluid mechanics and heat and mass transfer, perform a study, in view of experimental observation and measurement, theoretical analysis model and numerical simulation, on the problems of shear flow and heat transfer of non-Newtonian nanofluids, velocity field, temperature field and concentration field correlation characteristics, constitutive relation and physical mechanism, to reveal the inherent law and to provide the methods for related scientific research and engineering applications.

在新型材料的科学研究、工艺设计、工业设备的研制以及先进换热工质研究等很多领域都涉及到由非牛顿流体为基液制备的纳米流体剪切流动（流变）与传热问题。以非牛顿流体为基液制备的纳米流体，由于流体介质密度的不均匀及纳米粒子（团）的分布不均匀，在剪切流动（流变）过程中流体介质微团及纳米粒子微团相互作用，其质能输运呈现一系列“奇异、反常”的物理化学现象，人们发现这些非凡的特性都与剪切速率相关联，此时经典的研究牛顿流体时普遍应用的方法已不再适用。.本项目走多学科交叉的技术路线，基于非牛顿流体力学、近代数学、物理中的理论和方法，从实验观察和测量，理论分析建模及数值模拟等方面研究依赖于剪切速率的非牛顿纳米流体导热特性及速度场、温度场变化情况，揭示其内在规律，为相关科学研究和工程应用提供依据、思路和方法。

非牛顿流体基纳米流体剪切流动与传热问题广泛出现在新材料科学、工业设备及先进换热工质等领域。本项目从理论分析，实验测量，数值模拟，应用等方面对课题开展了系统研究，揭示内在规律，为相关科学研究和工程应用提供依据和方法。.1.基于理论分析提出非牛顿流体剪切流动与传热的流变协同原理.在考虑粘滞耗散的情况下，从理论上严格推导出非牛顿流体与剪切速率相关的流变协同的导热系数本构关系式，证实非牛顿流体剪切流动与传热过程必须遵循的流变协同原理。.2. 非牛顿基纳米流体流变性、导热性实验测量、建模及分析.(1) 自主设计研发“复杂流体流变和导热一体化测试系统”。研究了基于二氧化硅纳米流体(不同纳米颗粒尺寸和体积分数)在剪切流场中的传热特性。证实剪切流场中粘性耗散不可忽略，必须考虑非牛顿流体流变与传热之间的场协同作用。.(2) 利用商用Anton Paar MCR 302 流变仪，实验证实不同质量分数的韦兰胶溶液适合五参数Jeffries分数阶导数本构方程模型，基于实验数据研究了该类流体拉伸平板引起的边界层流动行为，分析了各种不同参数边界层行为的影响。.3. 相关非牛顿基纳米流体剪切流动理论分析及数值模拟工作.(1) 研究非牛顿基纳米流体绕流各种非常规物面边界层内速度场、温度场和浓度场传递行为的影响。基流体涉及CMC流体、粘弹性流体、血液流体等。物性参数涉及松弛、布朗运动、热泳、辐射、多孔介质、耗散、磁场、内热源、Hall效应、化学反应等。绕流物面包括：延伸、收缩壁面，楔形、铅直壁面，震荡、旋转圆盘、抽吸/喷注、滑移边界、温度跳跃、有限厚度、马兰格尼对流等。.(2) 同澳大利亚昆士兰科技大学刘发旺教授计算数学团队开展了很好的合作，取得了一系列分数阶粘弹性非牛顿基纳米流体计算成果。.4. 应用于血液流体力学-主动脉瘤和主动脉夹层疾病数值研究.与中国医学科学院阜外医院心血管外科舒畅教授团队合作开展非牛顿血液基纳米流体主动脉疾病（动脉粥样硬化、主动脉瘤、主动脉夹层等疾病研究工作。取得了一系列有意义的研究成果。