纳米流体非牛顿效应对颗粒分布团聚的机理研究

This project intends to investigate the non-Newtonian effects on the distribution and aggregation of nanoparticles suspended in fluids. The forces on the nanoparticles in non-Newtonian fluids are analyzed. It aims to construct models to describe the relationship between the transport behavior of nanoparticles and the physical parameters of non-Newtonian fluids. That is how we establish a method to predict and optimize the function of synthetic material through the analysis of mass transfer in nanofluids. This project combines modeling and experiments together. We endeavor to complete the unique analysis of distribution and aggregation of nanoparticles in non-Newtonian fluids and change the material physical proporties by controlling the agglomeration of nanoparticles. Furthermore, we discuss the applicability of different analytical and numerical methods (including the perturbation method and the homotopy analysis method) in the super-nonlinear equations of nanofluids. By modifying these modern mathematical methods and techniques, we may provide theoretical guidance for the practical demands.

本项目旨在研究流体的非牛顿效应对悬浮在其中的纳米颗粒分布-团聚现象的影响，通过分析非牛顿流体中纳米颗粒(团)的受力情况，构架出描述纳米颗粒分布-团聚行为与非牛顿流体的物性参数之间关联关系的特性模型，从而建立一种新的通过对纳米流体输运传质现象的分析来预测和优化合成材料功能的方法。本项目采用实验与建模同步的手段，以期在理论上完整阐明非牛顿流体中纳米颗粒独特的分布-团聚物理机制，并通过对流体中纳米颗粒分散性的控制来改变纳米填充材料的相关性能；同时将近代数学方法引入到强非线性的纳米流体方程中去，探索不同解析分析方法(摄动方法和同伦分析方法)、数值计算方法在该领域的适用性，并对一些方法做出改良，以期为相关科学研究和工程应用提供依据、思路和方法。

本项目以工程需求为实际背景，走学科交叉的技术路线，基于近代流体力学、传热传质学中和数学中的理论和方法，从理论分析、数值模拟和实验研究三方面来研究非牛顿流体中纳米颗粒独特的分布-团聚现象，取得了一系列研究成果。发表了11篇研究论文，其中SCI论文8篇。按中科院JCR分区统计：一区论文1篇，二区论文5篇，影响因子大于1.0的论文7篇，大于2.0的论文6篇。SCI引用共计38次，来自国内北京大学、同济大学、华中理工、福州大学等学校的课题组，以及来自意大利、伊朗、巴基斯坦、印度、阿尔及利亚等地区的专家学者。. 本项目首次提出了一种基于有限元求解非线性幂律基液纳米流体方程的“伪”时间方法。为了证明该方法可靠有效，把完整的Navier-Stokes方程化简为边界层方程，采用混合分析/数值方法来求解，然后将两种方法的解进行对比，证明该方法是有效的。此外，本项目深入探讨了水平平行换热器管道内层流强迫对流流体通过多个加热与冷凝区域的行为。重点考虑了工作基液中纳米颗粒的分布非均匀性，并采用上述基于有限元的“伪”时间法求解了动量、能量和浓度的耦合方程，得到了详细的速度、温度和浓度场数据及传热系数比和压降情况。基于工程背景，本项目还研究了材料形成过程中非牛顿流体掺入纳米粒子的情况。材料处理工艺被视作一个水平平行通道中层流强迫对流非牛顿流体的流动过程，而该通道中存在的三种不同的边界条件：加热、冷凝和绝热，分别模拟熔融、凝固和流动过程，并考虑了流变特性、布朗扩散以及热泳扩散在材料合成过程中对纳米颗粒分布、热传递和压降的影响。本项目还采用了激光散斑法对流动状态下羧甲基纤维素钠(CMC)水溶液中的纳米颗粒扩散-悬浮-沉淀随时间和流体流速的变化关系进行了观测，采用了偏光显微镜等仪器设备对橡胶原胶中的颗粒团聚现象进行观测。这些实验观测都为非牛顿流体中纳米颗粒分布-团聚的特征模型提供参数或者验证所建模型的适用性。