胡卫峰[1]2002年在《纳米流体结构与能量输运机理研究》文中进行了进一步梳理本文研究纳米流体的聚集结构与能量输运过程。纳米流体是一种自相似的分形结构，而纳米粒子的运动传热是纳米流体导热系数较高的主要原因。 论文描述了纳米流体的基本特点，从胶体理论出发，介绍了纳米流体的稳定性；根据布朗运动理论，阐述了纳米流体的运动特性，模拟了纳米粒子的运动轨迹。在DCLA生长模型的基础上，模拟了纳米粒子的聚集过程和大粒子团的分裂，并用分形理论对纳米流体的聚集结构进行了描述。 论文建立了纳米粒子运动强化传热的导热模型，将纳米流体的导热系数分为静态与动态两部分。用数值模拟方法模拟静态导热系数，并与常用的Maxwell公式进行比较；从粒子运动的事实出发，建立了动态导热系数的计算公式。用本文导热系数公式得到的纳米流体导热系数与实验结果比较接近，如果再考虑聚集因素，模拟结果与实验结果就更加吻合。
陈俊[2]2011年在《纳米流体输运性质作用机理的分子动力学模拟研究》文中研究说明纳米流体是指将纳米颗粒悬浮于基液中形成的一类换热流体；纳米流体在强化传热方面表现出许多优良特性，而输运性质是研究其强化传热的基础，成为了国内外研究热点。目前研究者大多采用实验的方法，实验结果间差异性较大。本文主要利用分子动力学模拟方法，研究了以氩、水和制冷剂为基液的纳米流体的导热系数、粘度等输运参数的作用机理，以加深对纳米流体特性的认识。本文首先推导了适用于纳米流体输运参数的自相关函数公式，建立了纳米流体导热系数、粘度等输运参数的模拟体系，编制了计算程序；并对模拟稳定性问题进行了分析，提出了分子平均自由力程的新概念，进而推导出用于模拟过程中最佳步长选择的计算公式和方法，为实现纳米流体分子模拟的稳定性奠定了基础。对纳米流体的制备进行了研究。实验观察了纳米颗粒在去离子水、制冷剂中的分散情况，总结了比较合适的制备方法，讨论了最佳振荡时间。模拟观察了纳米颗粒在基液中的布朗运动、颗粒吸附液体层、颗粒团聚的现象，并讨论了颗粒尺度、体系温度对分散稳定性的影响。实验测量了多种纳米流体的导热系数和粘度。实验结果为分子动力学模拟选取模拟条件提供了依据。利用本文建立的纳米流体分子动力学模拟体系，对以氩、水和制冷剂为基液的纳米流体的导热系数、粘度进行了模拟研究。对颗粒体积百分比、温度、颗粒尺寸、颗粒形状、比表面积及球形度等可能影响纳米流体有效导热系数、有效粘度的因素进行了分析，得到了纳米流体有效导热系数、有效粘度与不同因素之间的变化关系。在机理分析过程中，提出了单位体积输运参数增强比值TPeV (TransportProperties Enhancement Ratio by Nanoparticles Volume Fraction)，便于分析纳米颗粒对纳米流体的作用。从TPeV角度分析，纳米流体存在一个最佳体积百分比和最大体积百分比。对纳米流体导热系数、粘度内部作用进行了分解分析。发现基液在颗粒作用下的导热系数的增强，是纳米流体导热系数增大的主因，而纳米流体分子间作用势能是改变基液导热系数的本质。发现基液在颗粒的作用下属性的改变是影响纳米流体粘度的主要原因，当颗粒体积百分比超过某一值后基液流动性急剧改变。
路鹏飞[3]2017年在《固液界面双电层流体输运及储能机理研究》文中研究表明当固液两相相互接触时,由于静电作用,固体表面会吸引与其相接触的异号荷电离子形成双电层。这种特有的微观粒子分布广泛存在于微流控元器件、超级电容器等新兴流体操控与能量转换系统固液界面处的质量与能量输运与转换过程中,并直接影响着过程效率与调控。特别是,在微纳尺度上,固液界面处粘性耗散明显,流体与能量不连续效应增强,这都使得固液界面双电层内的质量与能量输运与转换展现出不同于宏观尺度下的独特机理与规律,已成为微纳尺度能质传递领域的研究热点。因此,对其开展研究不仅对于进一步发展与完善微纳尺度能质传递理论具有重要科学意义,而且对于调控和优化与双电层密切相关的能质输运和转化过程具有重要的应用价值。在微纳尺度下,尺寸效应凸显,界面形貌对固液界面双电层内能质输运和转化过程的影响更加显着。然而,目前这种影响机制还未得到全面的揭示,特别是粗糙固体表面处的双电层微结构还亟需加以深入认识,表面粗糙对双电层内能质输运和转化过程的调控机制还有待进一步探索。为此,本文围绕纳米通道电渗流及超级电容器固体电极充放电等两类典型流体操控与能量转换过程中所涉及的固液界面双电层内微观流体输运及储能机理开展分子动力学模拟与实验研究。建立了纳米尺度电渗流及双电层电容器电极充放电过程微观粒子输运的分子动力学模型,研究过程中固液界面双电层处微观粒子的运动与分布特性,探索固液界面双电层流体输运及储能机理,探讨纳米通道粗糙高度和粗糙分形维数对电渗流流体输运速度及其流动电势的影响规律,对比分析不同粗糙结构电极表面和电极电荷作用下微观粒子迁移特征,从而揭示固体表面粗糙形貌及电解质离子种类对双电层内能质输运和转化过程的调控机制。此外,本文还研制了石墨烯基双电层电容器并开展电容性能实验测试,进一步验证和研究了电极粗糙对电容性能的影响。本论文的主要研究内容和研究结论如下:(1)建立了粗糙壁面纳米通道内电渗流模型,并对其中流体输运特性进行了分子动力学模拟研究,探索了固液界面双电层流体输运机理,比较了光滑壁面、矩形粗糙壁面和自仿射特征的Cantor分形粗糙壁面纳米通道内NaCl水溶液在电场驱动下的流动特征,分析了不同形貌壁面附近的流体粒子的运动与分布特性、流体流速以及流动电势随通道粗糙高度和粗糙分形维数的变化情况。研究结果表明,带正电的光滑壁面附近的水分子和离子都呈现出层状分布的特点;对于矩形粗糙通道壁,壁面粗糙的存在能显着扰乱粒子的层状排布规律,部分水分子和带有异种电荷的氯离子由于壁面的静电吸引和空间位阻作用而陷入壁面的矩形凹槽中,这种空间的限制使得第一粒子层中的粒子数目减少;在外加电场作用下,微纳通道内流体发生定向流动,呈现出塞状流的特点,电渗流速度和zeta电势随着壁面粗糙程高度的增大而减小;对于具有Cantor分形特征的粗糙通道壁,通道内流体的流动同样受到壁面粗糙的阻碍,此外,受到壁面分形维数的影响,电渗流速度和zeta电势随着壁面分形维数的增加而减小。(2)建立了石墨烯电极-离子液体电解液固液界面模型和石墨烯双层浸入无机电解液的微观模型并进行了分子动力学模拟,探索了固液界面双电层储能机理,考察了电极表面电荷、石墨烯通道宽度对离子和溶剂分子分布的影响,比较了电极表面不同粗糙情况下电容性能的变化。分析了阴阳离子、溶剂分子与电极表面之间的相互作用情况,此外,还采用密度泛函理论方法研究了锂离子在石墨烯表面吸附和迁移行为。研究结果表明,离子液体阴阳离子间较强的静电作用和空间位阻使其在电极表面呈现出比无机电解液更显着的层状结构分布,且电极表面粗糙的存在会使这种层状结构的范围进一步增加;[EMIM]+离子具有较大的体积,其位置的改变需要克服较大的空间位阻,特别是在粗糙电极表面,凹槽的存在使其平动及扭转更加困难,因此其对电极电荷改变的响应较迟钝;[BF4]-阴离子体积较小,主要紧密堆积于阳离子所形成的空隙中,壁面粗糙对其限制作用也较小,当壁面电荷发生变化时能较快作出响应;对于石墨烯-离子液体电容,其微分电容曲线呈现出双驼峰形,电极表面粗糙的存在使得电极和电解质离子的有效接触面积增大,从而其相应的电容值较光滑电极的情况显着升高;此外,粗糙电极电解液体系的双驼峰型的微分电容曲线呈现出明显的不对称形态,这是由于阴阳离子的大小不对称所致;丙烯酸甲酯溶液中,锂离子和高氯酸跟离子通过静电作用形成大小不一的离子簇,离子在进入较小的带电石墨烯层间通道时需要克服较大能垒,当通道宽度变大时能垒相对减小,利于离子成对进入;对溶液离子的扩散能力研究表明,在模拟体系平衡之后,石墨烯层内的离子扩散速率要低于溶液中的扩散速率;此外,密度泛函理论计算表明,锂离子在石墨烯模型分子表面可形成多离子共吸附构型。由于石墨烯规律的六边形结构,当锂离子在石墨烯表面迁移时,锂离子与石墨烯之间的相互作用能呈现周期波动的情况。(3)研制了石墨烯基双电层电容器并进行了电容性能的实验测试研究,通过在极板夹层中添加泡沫镍来引入电极粗糙,从循环伏安、比电容衰减速度等方面对比研究了电极粗糙对电容器性能的影响。研究结果表明电极表面粗糙可以影响基于双电层的质能传输和转化过程,泡沫镍的添加所引入的电极粗糙使电容器的离子扩散转移阻抗显着减小,表现出较快速的电压响应特征和较大的比电容,循环伏安特性曲线具有较好的方形特征,电容值随电压扫速的增加表现出较慢的衰减等,说明泡沫镍引入的电极粗糙使电容器表现出较好的稳定性和储电能力。本文工作从分子/原子水平揭示了纳米通道电渗流及超级电容器固体电极充放电过程中固液界面双电层处微观粒子运动与分布特征,特别揭示了表面粗糙对双电层内能质输运和转化过程的调控机制。本研究可为电渗流微流控器件和超级电容器等流体操控与能量转换系统的相关研究提供重要的理论基础与技术支撑。
姚正平[4]2003年在《基于格子Boltzmann方法的纳米流体流动与能量传递机理研究》文中认为本文基于格子Boltzmann方法研究纳米流体的流动与能量传递过程。 格子Boltzmann方法是一种新兴的数值模拟方法，它从离散运动论出发，在介观尺度上研究流体的流动和传热机理。 本文建立了二维两相流格子Boltzmann模型，通过理论推导证明了格子Boltzmann模型的正确性，并分析了格子Boltzmann模型的边界条件和稳定性。 论文描述了纳米流体的基本特点。纳米流体是胶体悬浮物，从胶体理论出发，介绍了纳米流体的动力学和热力学性质。纳米粒子在流体中受到重力、布朗力、相间阻力和粒子间作用势产生的分散力的作用，呈集聚状态。纳米粒子的布朗运动和粒子间作用势是使纳米流体具有高效传热性能的主要原因。 本文根据纳米粒子和液体介质的作用力关系，建立了纳米流体格子Boltzmann模型，并据此研究纳米粒子的动态特性，模拟纳米流体的输运参数，从介观层次揭示纳米流体的强化传热机理。
李强[5]2004年在《纳米流体强化传热机理研究》文中研究表明随着对热交换设备换热表面强化传热技术研究的深入，换热工质的传热性能已成为影响热交换设备高效紧凑性能的一个主要因素，低导热系数的换热工质已成为研究新一代高效冷却技术的主要障碍。 提高液体导热系数的一种有效方式是在液体中添加金属、非金属或聚合物固体粒子。迄今为止，在液体中添加的粒子都局限于毫米或微米级，由于这些毫米或微米级粒子在实际应用中容易引起磨损、堵塞等不良结果，而大大限制了其在工业实际中的应用。 纳米材料科学的迅速发展给强化传热领域带来了新的机遇，有学者提出了一个崭新的概念—纳米流体：即以一定的方式和比例在液体中添加纳米级金属或非金属氧化物粒子，形成一类新的传热冷却工质。 本文围绕纳米流体的制备与悬浮稳定性研究、纳米流体输运参数的测量、纳米流体聚集结构与导热系数模拟、纳米流体的流动与对流换热特性以及航天用纳米流体强化传热技术研究等几方面内容，研究纳米流体强化传热的机理和性能。主要工作包括以下几个方面： 1．纳米流体的制备及悬浮稳定性研究 通过将纳米粒子与液体直接混合的两步法，并采用添加分散剂、超声振动等方法，制备了几种不同类型的纳米流体，获得悬浮稳定的纳米流体。 实验结果表明，纳米流体的悬浮稳定性受到纳米粒子的属性、尺寸及液体种类等因素的影响，同时，活性剂和分散剂的性质也是影响纳米粒子分散均匀性的另一个因素。 2．纳米流体输运参数实验研究 研制了瞬态热线装置，测量了不同种类、不同体积浓度的纳米流体的导热系数。实验结果表明，在液体中添加纳米粒子显着增加了悬浮液的导热系数，纳米流体的导热系数随纳米粒子体积份额的增加呈线性增大，但对于不同类型的纳米流体，由于纳米粒子属性、尺度及纳米流体悬浮稳定性的影响，纳米流体导热系数增加的比例不同。 采用NXE-1型粘度计测量了纳米流体的粘度。实验结果表明，纳米粒子改变了纳米流体的粘度，纳米粒子的体积份额、属性、尺度及纳米流体悬浮稳定性都是影响纳米流体粘度的因素。 从添加纳米粒子改变了液体结构和纳米粒子微运动两个方面分析纳米流体强化摘要博士论文导热系数的机理。测量了不同温度下纳米流体的导热系数，实验结果表明，纳米流体的导热系数随温度的升高而增大，验证了纳米粒子微运动是纳米流体强化导热系数的主要因素。 3.纳米流体聚集结构与导热系数模拟 运用布朗运动理论建立了模拟纳米粒子无规则运动的DLCA模型，研究了纳米流体的分形结构。表征纳米粒子分布形态和分形结构特征的分形维数随纳米粒子的大小、体积浓度和扩散时间步长等参数的变化而变化。 考虑纳米流体聚集结构，从添加纳米粒子改变了液体结构和纳米粒子微运动两个方面提出了纳米流体导热系数理论公式，纳米流体导热系数由静态与动态两部分组成。静态导热系数是纳米粒子改变液体结构造成的，用较为简便的Maxwen公式计算;动态导热系数是由纳米粒子微运动引起，它与粒子的体积份额、尺度、纳米流体粘度、粒子的聚集程度以及流体温度有关。计算了纳米流体的导热系数，分析了纳米粒子粒径、粒子团聚集结构、流体温度等对纳米流体导热系数的影响，与实验结果对比表明理论预测值与实验结果相符。 4.纳米流体流动与对流换热特性 建立了测量圆管内纳米流体对流换热系数的实验系统，测量了不同粒子体积份额的水一一Cu纳米流体在雷诺数80介一25000范围内的管内对流换热系数，实验结果表明，在液体中添加纳米粒子增大了液体的管内对流换热系数，增加了液体的传热效果，粒子的体积份额是影响纳米流体对流换热系数的因素之一，在相同雷诺数条件下，纳米流体的对流换热系数随粒子体积份额的增加而增大。另外，实验结果也表明，由于纳米材料的小尺寸效应，其行为接近于液体分子，纳米流体的流动阻力并没有增加，不会像毫米或微米级粒子易产生磨损、堵塞等不良结果。 建立了小通道扁管内纳米流体对流换热系数的实验系统，测量了不同粒子体积份额的水一叫Cu纳米流体在Re数24介一2000范围内的小通道扁管内的对流换热系数，实验结果表明，与纯水相比，小通道扁管内纳米流体的对流换热系数增大，传热性能增强。小通道扁管内的流动阻力性能实验结果表明，与纯水相比，扁管纳米流体的阻力系数并未明显增大，且不随纳米粒子的体积份额而变化。 综合考虑影响纳米流体对流换热的多种因素，如流动状态、流体输运参数、粒子体积份额、粒子的微对流和微扩散等，提出了计算悬浮有金属纳米粒子的纳米流体对流换热系数的关联式。比较关联式的计算结果与实验数据，表明关联式正确地描述了纳米流体对流换热过程，可以用来计算纳米流体的对流换热系数。5.航天用纳米流体强化传热应用基础研究博士论文纳米流体强化传热机理研究 在航天用某型传热工质中添加铜纳米粒子，制备了航天用新型纳米流体。运用瞬态热线法测量了原纯液体工质和新型纳米流体的导热系数和粘度，实验结果表明，添加少量纳米粒子就可以显着增加液体的导热系数，新型纳米流?
崔文政[6]2012年在《纳米流体强化动量与热量传递机理的分子动力学模拟研究》文中进行了进一步梳理纳米流体是指在液体(水、油、醇类等)中添加一定比例的纳米颗粒,制备成的均匀、稳定、高热导率的新型换热工质。纳米流体这一类新型工质的优点是：导热系数高,流动换热性能好,且在低浓度时的阻力增大不明显。以纳米流体作为换热工质,研究推广新一代强化传热技术具有重要的实际意义。纳米流体所表现出的宏观强化传热效果,其本质是由于内部无数纳米颗粒的微观共同作用。而对这些微观的作用机制,很难用宏观的实验、数值模拟等研究方法进行揭示,因而限制了纳米流体强化传热理论的发展。为此,本课题通过分子动力学这一微观数值模拟方法对纳米流体开展研究,揭示纳米流体强化传热的微观机理,因此本课题具有重要的理论研究价值。纳米流体强化传热的原因,一方面是由于增大的导热系数,另一方面则是由于改变的流动特性,为此本文从导热和流动两方面开展研究工作。在导热方面,通过分子动力学模拟研究,证实了纳米颗粒表面吸附层、纳米颗粒微运动是纳米流体导热强化的微观机制;同时,根据径向分布函数对纳米流体微观结构的分析结果,提出纳米流体总体呈现出类似固体的微观结构特征,也是纳米流体导热强化的微观机理。依据模拟得到的导热强化静态机制和动态机制建立了纳米流体导热系数预测模型,模型的预测结果得到实验数据的验证。根据统计分析纳米颗粒的原子势能分布,提出以纳米颗粒中所含高能原子比例的高低作为判据,来判断纳米颗粒强化纳米流体导热系数能力的强弱。在流动方面,根据分子动力学模拟结果,提出以单个纳米颗粒为核心,由液体吸附层、旋转液体层、有限存在空间构成的旋转流体微元结构,并进一步分析了由无数旋转流体微元构成的纳米流体动态微观结构。综合导热强化机理的研究结果,揭示了导热强化、流体内部掺混加强、以及传热方式发生根本改变是纳米流体流动换热强化的机理。模拟得到纳米流体的近壁面附近速度梯度和温度梯度均增大。同时,本文还对纳米流体的导热与流动特性的影响规律进行了探讨。本文从导热和流动两个方面揭示纳米流体强化传热的微观机理,通过分子动力学模拟研究,分别分析了纳米流体导热强化机理和流动换热强化机理,建立导热系数的预测模型,给出表观导热系数强化的判据,探讨纳米流体的导热和流动特性的影响规律,并得到纳米流体在近壁面附近速度梯度和温度梯度均增大的模拟结果。
孙成珍[7]2014年在《纳米尺度下液固悬浮流体和混合流体的热质输运特性》文中研究表明在纳米尺度下,一些在宏观尺度下可以忽略的力起主导作用,导致流体展现出了很多特殊的性质(如壁面附近的速度滑移等),使得纳流控学(Nanofluidics)应运而生,在近十年中得到了飞速发展。当流体中加入具有纳米尺度的物质或流体被限制在纳米尺度的空间内时,由于引入了大量的流-固界面,体积力作用减弱而表面力作用增强,流体的输运特性会强烈地依赖于界面特性,并且展现出鲜明的特殊性,如各向异性和空间尺度依赖性等。本文旨在研究纳米尺度下液固悬浮流体和混合流体的热质输运特性,为新型传热工质的工业应用、纳流控器件的设计制造提供理论基础,推进高效热传输和纳流控技术在电子器件冷却、气体分离和氢气储藏等领域的实际应用。本文首先通过建立的旋转库埃特流测量装置和提出的分子动力学(MD)模型研究了剪切流场中纳米流体的热输运特性,然后MD模拟研究了纳米通道中纳米流体与二元混合流体的热输运特性,最后结合MD方法和理论分析研究了混合气体分子在石墨烯纳米孔中的质量输运特性。主要结论如下:深入认识了剪切流场中纳米流体等效热导率(ETC)增加的机理,获得了参数影响规律,给出了预测ETC的定量关联式,揭示了液固悬浮流体热输运特性的颗粒纳米尺度效应。发现低剪切速率时ETC随着剪切速率的增加而增加,而当剪切速率大于一个临界值时ETC保持恒定,这跟纳米流体中颗粒团聚体随着剪切速率的增加而逐渐消失有关。纳米颗粒体积分数和直径越大,ETC随着剪切速率的增加越明显;流体温度越高,颗粒团聚体不易形成,ETC随着剪切速率的变化减弱,剪切流场中最大ETC与静态热导率比值减小。发现剪切流场中液固悬浮流体热输运特性的颗粒纳米尺度效应非常明显,预测普通液固悬浮流体(微米级颗粒)ETC的传统关联式从定性和定量上都不适用于纳米流体,最后本文基于实验数据提出了预测纳米流体ETC的指数型关联式。基于MD模型,发现了纳米颗粒的定向旋转效应,其促进了颗粒周围流体原子间的相对运动,增强了纳米流体的热输运能力。发现了纳米流体和二元混合流体在纳米通道中热输运的各向异性和热输运能力增强的新现象,并阐明了其机理及参数影响规律,揭示了纳米通道中这两类流体热输运特性的纳米尺度效应。发现纳米流体在纳米通道中表现出了完全不同于纯流体的流动特性,如在壁面附近和通道中间都出现数密度波动、具有非线性特征的库埃特流速度本研究得到国家自然科学基金面上项目(No:50876111,No:50936006)、创新群体(No:51121092)和动力工程多相流国家重点实验室开放课题的共同资助。剖面等。发现纳米流体在纳米通道中的热输运特性呈现明显的各向异性,壁面使得流体在通道高度方向的运动减弱,导致其热导率小于平行于壁面方向的热导率。指出壁面原子与流体原子(尤其是颗粒原子)之间很强的相互作用是引起平行于壁面方向的热导率远远大于宏观尺度下纳米流体热导率的主要原因,随着通道高度的减小和颗粒直径(体积分数)的增加,该热导率继续增加。类似于纳米流体,纳米通道中Ar-Kr二元混合流体的热输运特性也呈现各向异性,并且平行于壁面方向的热导率大于其宏观值;混合流体的热导率随着Kr原子的体积分数发生变化,体积分数越大,热导率越高;纳米通道中加入外部驱动力形成泊肃叶流后,流动方向的热导率会继续增加。深入研究了四种不同气体分子(H_e、H_2、N_2和CH_4)在石墨烯纳米孔中的渗透过程,查明了分子渗透的2种物理机制,构建了相应的理论模型,揭示了纳米孔中混合气体分子质量输运特性的纳米尺度效应。发现石墨烯纳米孔越大,分子渗透通量越大,同一纳米孔下气体分子的渗透通量与分子的大小和在石墨烯表面的吸附强度都有关。提出了“直接渗透”和“表面渗透”概念,量化了“直接渗透”和“表面渗透”的相对影响,发现对于吸附在石墨烯表面的气体分子(如N_2和CH_4),有很大一部分渗透通量来自于表面渗透通量,即分子先吸附在石墨烯表面,然后再穿过纳米孔。分别构建了预测直接渗透通量和表面渗透通量的理论模型,直接渗透通量可通过理想气体的动能理论被准确预测,而表面渗透通量可基于分子在石墨烯表面的扩散方程和Fick定律得到。同时,发现纳米孔的功能化对分子的渗透通量有很大影响,并阐明了其影响机制。
隋济泽[8]2017年在《复杂流体边界层剪切流动中传热传质研究》文中研究指明复杂流体在剪切流动中往往会表现出反常的热质传递行为。传统的简单线性本构模型不能有效描述这些传递行为,需要构建新的复杂非线性本构模型。本文主要研究高分子幂律型非牛顿流体,分散微、纳颗粒悬浮液等几类复杂流体在边界层剪切流动中的传热传质问题。引入广义幂律扩散理论与模型(N-diffusion)统一描述幂律型非牛顿流体的非线性流变与导热本构关系,并计算解决幂律流体在诸如倾斜壁面、运动壁面、抽吸/喷注、非均匀加热壁面等条件下的混合对流传热问题。幂律指数调控流体独特的非牛顿性质,其他外部条件对不同幂律流体具有相似影响。特别是利用该模型首次描述微极流体在剪切流动中因颗粒微旋转的集合效应而表现出的宏观剪切变稀特征,推广传统的线性本构模型而得到非线性的流变和导热本构关系。自主设计研发"复杂流体流变和导热一体化测试系统",首次从实验设计上实现同时监测剪切流动中的复杂流体流变和导热性能数据。通过对具体幂律型流体的实验测量和理论计算,所得结果很好的验证了广义幂律扩散模型在描述非牛顿流体依赖剪切速率热导率变化的合理性和有效性。对于粘弹性Maxwell基液分散微球的悬浮液,首次引入Cattaneo-Christov热质松弛传递本构模型,建立粘弹基微球悬浮液边界层剪切流动与传热传质的粘弹性松弛参数框架,完整地描述其反常输运过程。此外,在静态纳米流体强化热传导模型问题中,本文基于纳米颗粒界面有序层理论首次提出颗粒多级等效团聚模型。利用该模型所改进的纳米流体增强热导率预测结果不仅与许多经典实验数据很好的吻合,而且重要的组成参数,如颗粒团聚率和界面层厚度等,均证明处在合理的范围。进一步,对于非稳态剪切流动的纳米流体,本文引入依赖时间分形团聚动力学过程,将复杂的颗粒团聚效应通过分形标度律形式嵌入到纳米流体有效粘度和热导率模型中。同时定义特征时间比,巧妙地将纳米颗粒非平衡态团聚过程与纳米流体非稳态热对流过程紧密联系到一起,详细地分析了时间、分形维数及初始颗粒浓度等因素对纳米流体流动与传热的影响,特别是提出预测动量和热焓边界层厚度的经验公式。本文对一些物理问题的控制方程采取数学上必要的相似变换,在结合近似解析方法与数值方法等计算手段求解目标方程时,克服复杂本构模型带来的高度非线性难题,可方便地讨论众多物理参数对复杂流体反常输运特性的影响。
王鹏[9]2015年在《纳米流体强化内燃机活塞冷却油腔传热的基础研究》文中研究指明随着发动机强化程度的不断提高,活塞承受的热负荷急剧增加。单纯增大或改进活塞振荡冷却油腔的结构,已经不能满足一些工况下的散热需求,因此需要选择一种换热性能更好的冷却工质。纳米流体具有十分优异的传热特性,如果能够将其作为振荡冷却油腔的工作介质,则可以有效降低活塞的整体温度。然而在流动切向往复振荡作用下,冷却油腔内部的机油和空气形成的气液两相混合物,与壁面冲击传热的过程十分复杂。涉及到气液两相流体的撞击、分离、再附着等振荡混合过程,其机理还没有完全搞清楚。现阶段还没有一套较为完整的理论,对这种状态下气液两相流的流动与传热过程进行准确地描述。当采用纳米流体作为活塞冷却油腔的换热介质后,此时的气液两相流(空气和机油)变成了固气液叁相流(纳米颗粒、空气、机油),流动与换热过程更加复杂,从而限制了纳米流体在活塞冷却油腔中的应用。为此,有必要对纳米流体常规条件下的流动与传热特性进行深入探索,通过基础研究来揭示纳米流体强化传热的物理机制,完善纳米流体的数学物理模型。在此基础上,进一步考察冲击射流和往复振荡条件下,纳米流体的流动与传热特性,最后再将其应用于活塞振荡冷却油腔的散热过程。本文采用实验与数值模拟相结合的手段对纳米流体进行研究,从微流动的角度解释了纳米流体强化换热的物理机制,解决了纳米流体强化活塞冷却油腔传热的基础问题,丰富了往复振荡条件下气液两相流以及固气液叁相流强化传热的理论体系,具有较为重要的理论研究意义和工程实际应用价值。具体的研究工作如下：1.从固液两相的动量守恒方程出发,推导了适用于纳米颗粒的虚拟粘度模型。该模型精度明显好于基于高浓度、大尺度粒子流的经验公式和基于分子运动论的推导公式,可以为纳米流体的Eulerian模型提供参考；2.通过比较不同模型,考察了纳米流体的湍流流动特性。结果表明：除了物性参数的改变外,相间的速度滑移所引起的脉动速度、雷诺应力和小尺度涡量的增加,以及纳米颗粒的迁移效应所引起的物性参数随空间的非均匀性分布,也是纳米流体强化传热的重要因素；3.考察了不同喷射距离条件下,纳米流体的射流冲击换热特性。探讨了不同湍流模型、壁面函数和多相流模型的预测能力,分析了纳米颗粒加入后对基础流场的影响；4.建立了与流动方向垂直的往复振荡作用下,气液两相流(空气+基础流体)和固气液叁相流(纳米颗粒+空气+基础流体)在活塞冷却油腔内部与壁面传热的数理模型。发现壁面剪切应力、流体平均速度和纳米颗粒浓度共同决定了振荡过程的换热效果。并定量提出了往复振荡条件下,强化换热的判定准则；5.将纳米流体应用于实际内燃机活塞的散热过程,研究了不同种类、不同浓度纳米流体在冷却油腔内部的瞬时流动和换热特性。采用纳米流体作为活塞冷却油腔的换热介质后,可以有效降低活塞的整体热负荷。以体积分数为1%和2%的铜-机油纳米流体为例,相对于传统机油,一个振荡周期内的平均对流换热系数分别提高了24.93%和35.79%。
岳同涛[10]2012年在《生物膜—膜蛋白相互作用及纳米粒子跨膜输运的粗粒化模拟研究》文中研究指明众所周知，生物膜是细胞的重要组成部分，众多细胞活动的展开都离不开生物膜的参与，比如细胞内吞(Endocytosis)、细胞外吐(Exocytosis)、细胞分裂(Cell division)、细胞迁移(Cell migration)以及细胞信号转导(Signal transduction)等。因此研究生物膜的结构与性质对于理解其在不同细胞活动中的功能具有非常重要的意义。此外值得注意的是，生物膜的主要成分除了磷脂以外，还存在着各种不同的蛋白质，比如跨膜蛋白(Transmembrane protein)、锚定蛋白(Anchored protein)、外周蛋白(Peripheral protein)等等，这些蛋白质的存在对于生物膜发挥正常的生物功能至关重要。基于生物膜是一个异常复杂的动态结构，目前我们对其在不同细胞活动中的作用还知之甚少。尽管随着实验设备与技术的进步，许多生物膜的结构和功能可以通过实验的手段进行观察和研究，但是目前实验方法仍然无法从分子层面上去深入探索生物膜的结构和性质。因此这就需要引进计算机模拟技术。尤其是近年来，随着计算机技术的迅猛发展，分子模拟已经能够在较长时间尺度上对较大的生物体系进行研究。因此本论文主要采用分子模拟的手段，选取生物膜-膜蛋白体系作为研究对象进行系统的模拟研究。本文主要从以下两大方面展开研究：1.首先是关于生物膜-膜蛋白相互作用机理的模拟研究，主要的研究内容包括以下几个部分：(1)采用磷脂数可变的耗散粒子动力学模拟方法(N-variedDissipative Particle Dynamics, N-varied DPD)研究锚定蛋白质的聚集及其与生物膜弯曲的关系。模拟结果表明锚定蛋白质在生物膜中的聚集程度及聚集速度主要取决于其自身的疏水长度。而在生物膜弯曲方面，本文模拟发现生物膜的弯曲程度不仅取决于生物膜自身的表面张力，而且在很大程度上受锚定蛋白质聚集程度的影响。一般来说，锚定蛋白质的聚集团簇具有一定的内在曲率，而正是由于这种内在曲率的存在使其在生物膜弯曲方面发挥了类似于脚手架的功能。因此本研究工作提出了一种新的生物膜弯曲机理：即锚定蛋白质的聚集机理。此外，本文还模拟证明了锚定蛋白质的聚集不仅可以促使生物膜曲率的产生，而且其在生物膜中的聚集程度和分布可以感应生物膜局部曲率的存在。这为我们理解不同蛋白质在生物膜中的分布及其生物功能提供了参考。(2)针对膜蛋白质感应生物膜曲率的事实，进一步采用耗散粒子动力学的模拟方法研究生物膜局部曲率对膜蛋白相互作用的影响。本文选取不同尺寸的囊泡作为具有特定曲率的生物膜模型，研究曲率对囊泡中跨膜蛋白质间相互作用的影响。本文研究发现不仅跨膜蛋白质的疏水不匹配性是影响蛋白质间相互作用的主要因素，而且生物膜的局部曲率也可以介导产生跨膜蛋白质间的相互作用。因此本研究进一步从分子层面上解释了为何生物膜曲率可以影响膜蛋白质的聚集及其在生物膜中的空间分布。此外，本文的模拟结果还表明不同疏水长度的跨膜蛋白质会对生物膜曲率产生一定的干扰，进而会对囊泡的整体形貌产生不同程度的影响。(3)除了在生物膜弯曲中发挥作用以外，本文还模拟研究了生物膜上下两层中锚定蛋白质的聚集耦合在细胞信号跨膜转导中的作用。本文的模拟结果表明，细胞的信号跨膜转导可以通过生物膜上下两层中锚定蛋白质的聚集耦合来实现，而无需跨膜蛋白质的参与。本文通过模拟发现了叁种不同的聚集耦合形态，它们分别为面对面的耦合形态、上下相互交错的耦合形态以及弱耦合形态。且不同的耦合形态主要取决于上下两层中锚定蛋白质的疏水长度。除此之外，本文还发现不同的耦合形态会对锚定蛋白质的聚集程度产生不同程度的影响。因此本研究工作提出了一种新的信号跨膜转导机理：即上下层锚定蛋白质的聚集耦合机理。(4)由于生物聚合物的成束在不同细胞活动中的重要性，本文采用布朗动力学的模拟方法(Brownian Dynamics, BD)研究了锚定在一基底表面的生物聚合物链的螺旋成束机理。本文的模拟结果显示生物聚合物链的螺旋成束是链间相互吸引作用与内部弯曲刚性相互竞争的结果。且不同的自组装形态，包括有序螺旋束结构、有序平行束结构、无序半球状团簇结构、以及不成束的单体结构，主要取决于生物聚合物的内部性质，比如长度、弯曲刚性、链间粘附强度等。此外，本文发现生物聚合物链的螺旋成束可以在很大程度上加强其弯曲刚性，并且螺旋程度越高，其加强作用越明显。在自组装动力学方面，根据不同的自身性质，生物聚合物链存在两种不同的成束路径，即分级成束过程和不分级成束过程。(5)生物膜中的各种通道蛋白被认为是一种强限制空间，而生物小分子在强限制空间中往往呈现出不同的结构和性质。因此本文采用分子动力学的模拟方法(Molecular Dynamics, MD)研究了线性分子在圆柱纳米孔中的自组装结构。本文的模拟结果显示随着孔径的不同，单点以及两点分子在圆柱纳米孔中会呈现出一系列的手性和非手性结构。而长度较长的四点线性分子则只能在特定孔径下才能形成有序的螺旋结构。除此之外，本文模拟发现，对于不同长度的线性分子来说，其在强限制空间中的紧密堆积结构对于温度变化的反应是截然不同的。因此本研究工作将有助于我们理解生物小分子在通过膜通道蛋白进出细胞过程中的结构形态变化。2.本论文的另外一个研究方向是纳米粒子(Nanoparticles, NPs)的跨膜输运及其细胞毒性机理研究。主要的研究内容和创新点包括以下几个部分：(1)采用N-varied DPD的模拟方法研究了单个纳米粒子与生物膜的相互作用。本文通过模拟发现生物膜对于配体修饰的纳米粒子的吸附会产生四种不同的反应状态，即受体介导的内吞(Receptor-mediatedendocytosis)、纳米粒子的粘附(NPs adhesion)、纳米粒子穿透生物膜(NPspenetration)以及纳米粒子诱导的生物膜破裂(NPs induced membranerupture)。其中前两种生物膜反应说明纳米粒子作为药物载体材料的优越性，而后两种反应则说明纳米粒子存在一定的细胞毒性(Cytotoxicity)。此外本文系统研究了纳米粒子及生物膜不同性质对生物膜反应的影响，从而为设计低毒高效药物载体材料提供了一定的参考。(2)在纳米粒子的内吞机理中，本文进一步研究了多个纳米粒子的内吞路径。本文模拟发现多个纳米粒子的内吞实际上是一个相互协同的过程，且存在不同的协同方式，比如同步内吞(Synchronous internalization)、不同步内吞(Asynchronous internalization)以及单独内吞(Independentinternalization)。不同的协同方式取决于纳米粒子的尺寸、纳米粒子的浓度、生物膜的表面张力以及不同纳米粒子间的尺寸区别。(3)在研究了刚性纳米粒子与生物膜的相互作用之后，本文进一步研究了软的弹性囊泡与生物膜的相互作用。本文通过模拟发现囊泡可以通过最多5种不同的方式与生物膜发生作用，它们分别为囊泡融合(Vesiclefusion)、囊泡半融合(Vesicle hemi-fusion)、囊泡粘附(Vesicle adhesion)、囊泡破裂(Vesicle rupture)以及囊泡的内吞(Vesicle endocytosis)。不同的相互作用方式主要取决于：囊泡与膜的粘附强度、生物膜的表面张力、囊泡的张力以及受体配体密度。
参考文献：
[1]. 纳米流体结构与能量输运机理研究[D]. 胡卫峰. 南京理工大学. 2002
[2]. 纳米流体输运性质作用机理的分子动力学模拟研究[D]. 陈俊. 清华大学. 2011
[3]. 固液界面双电层流体输运及储能机理研究[D]. 路鹏飞. 扬州大学. 2017
[4]. 基于格子Boltzmann方法的纳米流体流动与能量传递机理研究[D]. 姚正平. 南京理工大学. 2003
[5]. 纳米流体强化传热机理研究[D]. 李强. 南京理工大学. 2004
[6]. 纳米流体强化动量与热量传递机理的分子动力学模拟研究[D]. 崔文政. 大连理工大学. 2012
[7]. 纳米尺度下液固悬浮流体和混合流体的热质输运特性[D]. 孙成珍. 西安交通大学. 2014
[8]. 复杂流体边界层剪切流动中传热传质研究[D]. 隋济泽. 北京科技大学. 2017
[9]. 纳米流体强化内燃机活塞冷却油腔传热的基础研究[D]. 王鹏. 大连理工大学. 2015
[10]. 生物膜—膜蛋白相互作用及纳米粒子跨膜输运的粗粒化模拟研究[D]. 岳同涛. 北京化工大学. 2012