微通道内带电胶体颗粒在水溶液中的近壁面热泳机理研究

Most existing studies have concentrated on the thermophoresis in wide domains. However, recently more and more researches such as enhanced heat transfer of nanofluids have found the significant roles of thermophoresis near the walls, which indicates that it is necessary to study the near-wall thermophoresis. This project aims to systematically study the near-wall thermophoresis of charged colloids in aqueous solutions within microchannels, through experimental measurements, numerical simulations, and theoretical analyses. Firstly, due to the electrical double layer (EDL) deformation, the EDL repulsion between the particles and the wall is generated, and the thermoelectricity becomes abnormal. By investigating both effects of the EDL repulsion and the abnormal thermoelectricity, the mechanism of EDL deformation on thermophoresis could be found. Secondly, to reveal the mechanism of nonlinear temperature on thermophoresis, both the translational and rotational thermophoresis induced by the asymmetric nonlinear temperature field near the walls are investigated. Thirdly, to demonstrate the mechanism of hydrodynamic interaction on thermophoresis, the hydrodynamic interactions induced thermophoresis for various particle concentrations and particle-wall distances are investigated. This project will enrich the relevant theories of thermophoresis of charged colloids in aqueous solutions, deepen the insights into the thermophoresis, and provide the theoretical bases for the numerous applications in many engineering areas.

温度梯度驱动下所产生的胶体热泳在以往的研究中主要针对广阔空间内的热泳现象。然而，近年来越来越多的研究如纳米流体强化传热等发现壁面附近的热泳起到了重要作用，从而揭示出研究近壁面热泳机理的必要性。本项目拟基于实验测量、数值模拟与理论分析等技术手段，对微通道内带电胶体颗粒在水溶液中的近壁面热泳机理进行系统性研究：通过研究颗粒与壁面之间的静电排斥力和异常的热电效应对热泳行为的影响，来探索双电层形变对胶体热泳的作用机理；通过考察近壁面非对称的非线性温度场所引起的平移和旋转热泳行为，来阐明非线性温度场对胶体热泳的作用机理；通过分析近壁面特有的流体动力干扰在不同颗粒浓度以及颗粒-壁面之间的距离等关键参数时所引起的综合影响，来揭示流体动力干扰对胶体热泳的作用机理。本项目将扩展和完善带电胶体颗粒在水溶液中热泳的相关理论，提升对胶体热泳行为的认识，并为热泳在众多工程领域的广泛应用提供重要的理论依据。

开展带电胶体颗粒在水溶液中的热泳机理研究具有重要意义，为热泳应用到化工、能源和环境方面提供了实验和理论基础。项目组围绕带电胶体颗粒在水溶液中的近壁面热泳机理开展了以下两个关键科学问题研究。. 第一，针对带电胶体颗粒在水溶液中的热泳，通过研究颗粒与液体间不同热导率所导致的非线性温度场对热泳的影响，分析不同双电层厚度时，常温常压条件和高温高压条件下非线性温度场对热泳的作用机理。发现非线性温度场对颗粒热泳的作用机理与双电层厚度相关：当非线性温度场比双电层薄时，非线性温度场对热泳没有影响；当非线性温度场比双电层厚时，非线性温度场对热泳的影响显著。基于理论分析，获取无量纲热泳系数的数学表达式，首次预估了任意双电层厚度和颗粒热导率时的无量纲热泳系数，并与实验结果达到较好的吻合。. 第二，针对椭球体颗粒在水溶液中的热泳，通过研究温度温度梯度与颗粒旋转轴间的夹角和长轴与短轴半径之比对热泳的影响，分析不同双电层厚度时，颗粒形状所导致的流体动力干扰对热泳的作用机理。研究发现流体动力干扰对颗粒热泳有着重要的影响：当椭球体颗粒在水溶液中随机分布时，颗粒热泳为各向异性行为。并获得了极薄双电层时的各向异性热泳分析解，与实验结果进行了比对。这是全球首次获得带电胶体颗粒在水溶液中的各向异性热泳的分析解，为热泳应用于微动力打下坚实的理论基础。此外，针对带电胶体颗粒在非牛顿流体中的热泳，通过研究剪切增稠效应和剪切稀化效应对热泳的影响，分析不同双电层厚度时，不同剪切效应导致的流体动力干扰对热泳的作用机理。研究发现颗粒在非牛顿流体中的热泳与牛顿流体中的热泳迥然不同。项目组首次分析了非牛顿流体中的颗粒热泳，并发现剪切稀化效应加速了热泳运动，并与实验结果有较好的吻合。项目组还分析了不同双电层厚度时，壁面-颗粒表面间的距离所导致的流体动力干扰对近壁面热泳的作用机理。研究表明近壁面热泳与双电层厚度紧密相关，水动力效应影响显著。