發(fā)布時(shí)間：2019-04-26 08:21

【摘要】：在納米尺度下,一些在宏觀尺度下可以忽略的力起主導(dǎo)作用,導(dǎo)致流體展現(xiàn)出了很多特殊的性質(zhì)(如壁面附近的速度滑移等),使得納流控學(xué)(Nanofluidics)應(yīng)運(yùn)而生,在近十年中得到了飛速發(fā)展。當(dāng)流體中加入具有納米尺度的物質(zhì)或流體被限制在納米尺度的空間內(nèi)時(shí),由于引入了大量的流-固界面,體積力作用減弱而表面力作用增強(qiáng),流體的輸運(yùn)特性會(huì)強(qiáng)烈地依賴于界面特性,并且展現(xiàn)出鮮明的特殊性,如各向異性和空間尺度依賴性等。本文旨在研究納米尺度下液固懸浮流體和混合流體的熱質(zhì)輸運(yùn)特性,為新型傳熱工質(zhì)的工業(yè)應(yīng)用、納流控器件的設(shè)計(jì)制造提供理論基礎(chǔ),推進(jìn)高效熱傳輸和納流控技術(shù)在電子器件冷卻、氣體分離和氫氣儲(chǔ)藏等領(lǐng)域的實(shí)際應(yīng)用。本文首先通過(guò)建立的旋轉(zhuǎn)庫(kù)埃特流測(cè)量裝置和提出的分子動(dòng)力學(xué)(MD)模型研究了剪切流場(chǎng)中納米流體的熱輸運(yùn)特性,然后MD模擬研究了納米通道中納米流體與二元混合流體的熱輸運(yùn)特性,最后結(jié)合MD方法和理論分析研究了混合氣體分子在石墨烯納米孔中的質(zhì)量輸運(yùn)特性。主要結(jié)論如下:深入認(rèn)識(shí)了剪切流場(chǎng)中納米流體等效熱導(dǎo)率(ETC)增加的機(jī)理,獲得了參數(shù)影響規(guī)律,給出了預(yù)測(cè)ETC的定量關(guān)聯(lián)式,揭示了液固懸浮流體熱輸運(yùn)特性的顆粒納米尺度效應(yīng)。發(fā)現(xiàn)低剪切速率時(shí)ETC隨著剪切速率的增加而增加,而當(dāng)剪切速率大于一個(gè)臨界值時(shí)ETC保持恒定,這跟納米流體中顆粒團(tuán)聚體隨著剪切速率的增加而逐漸消失有關(guān)。納米顆粒體積分?jǐn)?shù)和直徑越大,ETC隨著剪切速率的增加越明顯;流體溫度越高,顆粒團(tuán)聚體不易形成,ETC隨著剪切速率的變化減弱,剪切流場(chǎng)中最大ETC與靜態(tài)熱導(dǎo)率比值減小。發(fā)現(xiàn)剪切流場(chǎng)中液固懸浮流體熱輸運(yùn)特性的顆粒納米尺度效應(yīng)非常明顯,預(yù)測(cè)普通液固懸浮流體(微米級(jí)顆粒)ETC的傳統(tǒng)關(guān)聯(lián)式從定性和定量上都不適用于納米流體,最后本文基于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)提出了預(yù)測(cè)納米流體ETC的指數(shù)型關(guān)聯(lián)式�；贛D模型,發(fā)現(xiàn)了納米顆粒的定向旋轉(zhuǎn)效應(yīng),其促進(jìn)了顆粒周圍流體原子間的相對(duì)運(yùn)動(dòng),增強(qiáng)了納米流體的熱輸運(yùn)能力。發(fā)現(xiàn)了納米流體和二元混合流體在納米通道中熱輸運(yùn)的各向異性和熱輸運(yùn)能力增強(qiáng)的新現(xiàn)象,并闡明了其機(jī)理及參數(shù)影響規(guī)律,揭示了納米通道中這兩類流體熱輸運(yùn)特性的納米尺度效應(yīng)。發(fā)現(xiàn)納米流體在納米通道中表現(xiàn)出了完全不同于純流體的流動(dòng)特性,如在壁面附近和通道中間都出現(xiàn)數(shù)密度波動(dòng)、具有非線性特征的庫(kù)埃特流速度本研究得到國(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目(No:50876111,No:50936006)、創(chuàng)新群體(No:51121092)和動(dòng)力工程多相流國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放課題的共同資助。剖面等。發(fā)現(xiàn)納米流體在納米通道中的熱輸運(yùn)特性呈現(xiàn)明顯的各向異性,壁面使得流體在通道高度方向的運(yùn)動(dòng)減弱,導(dǎo)致其熱導(dǎo)率小于平行于壁面方向的熱導(dǎo)率。指出壁面原子與流體原子(尤其是顆粒原子)之間很強(qiáng)的相互作用是引起平行于壁面方向的熱導(dǎo)率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于宏觀尺度下納米流體熱導(dǎo)率的主要原因,隨著通道高度的減小和顆粒直徑(體積分?jǐn)?shù))的增加,該熱導(dǎo)率繼續(xù)增加。類似于納米流體,納米通道中Ar-Kr二元混合流體的熱輸運(yùn)特性也呈現(xiàn)各向異性,并且平行于壁面方向的熱導(dǎo)率大于其宏觀值;混合流體的熱導(dǎo)率隨著Kr原子的體積分?jǐn)?shù)發(fā)生變化,體積分?jǐn)?shù)越大,熱導(dǎo)率越高;納米通道中加入外部驅(qū)動(dòng)力形成泊肅葉流后,流動(dòng)方向的熱導(dǎo)率會(huì)繼續(xù)增加。深入研究了四種不同氣體分子(H_e、H_2、N_2和CH_4)在石墨烯納米孔中的滲透過(guò)程,查明了分子滲透的2種物理機(jī)制,構(gòu)建了相應(yīng)的理論模型,揭示了納米孔中混合氣體分子質(zhì)量輸運(yùn)特性的納米尺度效應(yīng)。發(fā)現(xiàn)石墨烯納米孔越大,分子滲透通量越大,同一納米孔下氣體分子的滲透通量與分子的大小和在石墨烯表面的吸附強(qiáng)度都有關(guān)。提出了“直接滲透”和“表面滲透”概念,量化了“直接滲透”和“表面滲透”的相對(duì)影響,發(fā)現(xiàn)對(duì)于吸附在石墨烯表面的氣體分子(如N_2和CH_4),有很大一部分滲透通量來(lái)自于表面滲透通量,即分子先吸附在石墨烯表面,然后再穿過(guò)納米孔。分別構(gòu)建了預(yù)測(cè)直接滲透通量和表面滲透通量的理論模型,直接滲透通量可通過(guò)理想氣體的動(dòng)能理論被準(zhǔn)確預(yù)測(cè),而表面滲透通量可基于分子在石墨烯表面的擴(kuò)散方程和Fick定律得到。同時(shí),發(fā)現(xiàn)納米孔的功能化對(duì)分子的滲透通量有很大影響,并闡明了其影響機(jī)制。
[Abstract]:......
【學(xué)位授予單位】：西安交通大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號(hào)】：TK124

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本文編號(hào)：2465908