（工程热物理专业论文）纳米流体热质传递机理及光学特性研究.pdf

p h d d i s s e r t a t i o n r e s e a r c ho nh e a ta n dm a s st r a n s f e rm e c h a n i s m s a n d p t i c a c h a r a c t e ro fn a n o f l u i d s a n do p t i c a lc h a r a c t e r n a n o f l u i d s b y f a n gx i a o p e n g s u p e r v i s e db yp r 西x u a ny i m i n n a n ji n gu n i v e r s i t yo fs c i e n c e t e c h n o l o g y m a r c h 2 0 1 3 声明 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果 尽我所知 在本学位 论文中 除了加以标注和致谢的部分外 不包含其他人已经发表或公布过的 研究成果 也不包含我为获得任何教育机构的学位或学历而使用过的材料 与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均已在论文中作了明确的说 明 研究生签名 豸 透造刎侈年弓月厂e t 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档 可以借阅或上网 公布本学位论文的部分或全部内容 可以向有关部门或机构送交并授权其保 存 借阅或上网公布本学位论文的部分或全部内容 对于保密论文 按保密 的有关规定和程序处理 研究生签名 立堕选2 j 弓年弓月re l 博士论文纳米流体热质传递机理及光学特性研究 摘要 1 9 9 5 年 美国a r g o n n e 国家实验室的c h o i 在国际上首次提出了纳米流体的概念 即以一定的方式和比例在液体中添加纳米级的金属或非金属氧化物粒子 形成一类新的 传热冷却工质 纳米流体的概念一经提出 立即引起了国内外研究者的关注 作为一种 新型的功能流体 纳米流体拥有一些特殊的性质 纳米流体的传热特性 传质特性以及 光学特性是其三个重要的物性 已有的实验研究已经表明纳米流体在传热 传质以及光 学领域有很好的应用前景 目前 人们对于纳米流体的研究还不够深入 纳米流体各种 特性的机理尚不清楚 进一步开展纳米流体各种特性的机理研究 有助于加深人们对纳 米流体的认知 能够促进纳米流体的工程应用 是非常有意义的工作 本文围绕纳米流 体的传热 传质以及光学特性开展了研究工作 探索了纳米流体的导热机理 传质机理 以及光吸收特性机理 为纳米流体的应用提供了理论指导 本文的主要工作包括以下几 个方面 1 纳米流体导热机理的研究 自纳米流体的概念被提出以来 人们就一直关注纳米流体的传热特性 研究者们对 纳米流体的导热系数进行了大量的实验及理论研究 实验结果表明纳米流体的导热系数 比基液的导热系数有了很可观的提高 人们考虑各种因素 提出了很多理论模型来解释 纳米流体的导热机理 但目前还没有一种完善的理论 纳米流体内部的能量传递是一个 非常复杂的过程 传统的导热模型不能解释纳米流体中的传热过程 要搞清楚纳米流体 的导热机理 还需要进一步更深入的研究 本文首先对已经报道的关于纳米流体导热系数的研究结果进行了分析总结 搞清楚 了影响纳米流体导热系数的各种因素 纳米流体的导热系数可以看作静态导热系数与动 态导热系数之和 本文综合考虑影响纳米流体导热系数的各种因素 分别建立了纳米流 体的静态导热系数模型和动态导热系数模型 利用本文建立的理论模型 结合实验结果 对纳米流体的导热机理进行了研究 搞清楚了影响纳米流体导热系数的主要因素 对于 纳米粒子具有磁性的纳米磁流体 其导热系数在外加磁场作用下是各向异性的 目前关 于这方面的理论研究很少 本文结合了纳米磁流体微结构的动力学模拟以及纳米流体的 静态导热系数模型 对纳米磁流体的各向异性导热机理进行了研究 首先详细分析了纳 米磁流体中磁性粒子受到的各种作用力 建立了磁粒子受力模型及运动方程 在此基础 上 运用动力学方法模拟了在有 无外加磁场作用两种情况下纳米磁流体的微观聚集结 构 然后利用纳米流体的静态导热模型计算了不同结构的纳米磁流体的各向异性导热系 数 研究结果表明 外加磁场作用下磁性粒子沿着磁场方向形成了链状结构 这种链状 结构为流体内部的传热提供了有效的通路 使得纳米磁流体在沿着链方向的导热系数大 摘要博士论文 于垂直于链方向的导热系数 纳米磁流体导热系数的各向异性特征会随着外加磁场强度 的增大而变得更加明显 2 纳米流体强化传质研究 关于纳米流体强化传质的研究处于起步阶段 研究结果比较少 本文从理论和实验 两个方面对纳米流体的传质过程进行了探索 较为完整地研究了纳米流体的强化传质机 理 1 理论研究方面 分析了悬浮纳米粒子的布朗运动对于纳米流体内部传质过程的影响 并根据热质比 拟理论 得到了纳米流体有效传质扩散系数的准则方程 通过对纳米流体传质过程的理 论分析 搞清楚了影响纳米流体传质扩散系数的主要因素 2 实验研究方面 根据t a y l o r 分散法的思路 设计出了能够定量测量纳米流体传质扩散系数的实验系 统 测量了不同温度 1 5 c 2 0 2 5 c 条件下罗丹明b 在不同粒子体积份额 0 1 0 5 的c u 水以及c u 乙二醇纳米流体中的扩散系数 研究了纳米流体中粒子体积份额 温度 以及基液属性等因素对传质的影响 结果表明悬浮纳米粒子的不规则运动强化了基液内 的传质过程 罗丹明b 在纳米流体中的扩散系数要大于其在基液中的扩散系数 且扩散 系数随着粒子体积份额的增大而增大 当粒子体积份额相同时 扩散系数随着温度的升 高而增大 罗丹明b 在c u 水纳米流体中的扩散系数要大于其在c u 乙二醇纳米流体中 的扩散系数 本文对纳米流体强化传质所做的理论和实验上的探索性工作 帮助我们搞清楚了影 响纳米流体传质的一些主要因素 对于促进纳米流体在工程中的应用起到了指导作用 3 纳米流体光学特性研究 影响纳米流体光学特性的重要参数是纳米流体的消光系数 本文从实验和理论两个 方面对纳米流体的消光系数进行了研究 由于纳米磁流体有特殊的磁光效应 其在光学 领域的应用前景比普通的纳米流体更加广泛 本文用新建的理论模型重点研究了纳米磁 流体在外加磁场作用下的光学各向异性机理 1 实验研究方面 根据薄膜透射原理 建立了可以测量纳米流体消光系数的实验方法 首先用该方法 测量了水在不同波长下的消光系数 并与文献值进行了对比 分析表明该实验方法适合 测量纳米流体的消光系数 有较高的精度 然后用该方法测量了不同粒子体积份额的 f e 3 0 4 水纳米流体的消光系数 为接下来的理论研究提供了实验数据 2 理论研究方面 建立理论模型 引入了t 矩阵算法 考虑纳米流体中粒子的聚集结构特性以及粒子 之间的多次散射 建立了一种可以精确计算纳米流体消光系数的理论方法 用该方法对 i i 博士论文纳米流体热质传递机理及光学特性研究 不同体积份额的f e 3 0 4 水纳米流体的消光系数进行了计算 并与本文的实验结果进行了 对比 计算结果与实验结果符合的很好 为了研究纳米磁流体的光学各向异性机理 首 先利用本文所建立的动力学方法模拟得到了纳米磁流体在外加磁场作用下的微观结构 然后用本文的理论方法计算得到了纳米磁流体各向异性的消光系数 利用该方法分析了 粒子粒径 体积份额 外加磁场等因素对纳米磁流体消光系数的影响 研究结果表明 在外加磁场作用下 磁性纳米粒子会沿着磁场方向形成链状聚集结构 正是这种各向异 性的聚集结构导致了纳米磁流体的消光系数出现了各向异性特征 在平行于磁场方向 纳米磁流体的消光系数小于不加磁场时的值 且消光系数随着磁场强度的增大而减小 直到达到恒定值 在垂直于磁场方向 若入射光的偏振方向与磁场方向平行 纳米磁流 体的消光系数大于不加磁场时的值 且消光系数随着磁场强度的增大而增大 若入射光 的偏振方向与磁场方向垂直 纳米磁流体的消光系数小于不加磁场时的值 且消光系数 随着磁场强度的增大而减小 关键词 纳米流体 纳米磁流体 导热系数 强化传质 光学特性 各向异性 消光系 数 i i i a b s t r a c t i n19 9 5 t h ec o n c e p to fn a n o f l u i d sw a sf i r s tp r o p o s e db yc h o iw h o w a sw o r k e da ta r g o n n e n a t i o n a ll a b o r a t o r yo ft h eu n i t e ds t a t e s n a n o f l u i d sr e f e rt oan e wc l a s so fh e a t 缸a n s f 宅r f u i d sb ys u s p e n d i n gn a n o s c a l e dm e t a l l i co rn o n m e t a l l i cp a r t i c l e si nb a s ef u i d s s i n e et 1 1 eb o m o fn a n o f l u i d s i th a da t t r a c t e dt h ea t t e n t i o no fr e s e a r c h e r s a san e w t y p eo ff u n c t i o n a lf l u i d s n a n o f l u i d sh a v es o m es p e c i a lc h a r a c t e r s t h eh e a ta n dm a s st r a n s f e rc h a r a c t e r sa n d t h eo p t i c a l c h a r a c t e ra r et h r e eo ft h em o s ti m p o r t a n tc h a r a c t e r so fn a n o f l u i d s r e p o r t e de x p e r i m e n t a l s t u d i e sh a v es h o w nt h a tn a n o f l u i d sh a v eag o o dp r o s p e c to fa p p l i c a t i o ni nh e a ta n dm a s s t r a n s f e ra n d o p t i c a le n g i n e e r i n g s of a r o u rk n o w l e d g ea b o u tn a n o f l u i d si sn o td e e pe n o u g ht o e x p l a i nt h es p e c i a lc h a r a c t e r so fn a n o f l u i d s f u r t h e rs t u d i e sa b o u tt h ec h a r a c t e r so fn a n o n u i d s a r en e c e s s a r y t h er e s e a r c hw o r ko ft h i sp a p e rf o c u s e so nt h eh e a ta n dm a s st r a n s f e rc h a r a c t e r s a n dt h eo p t i c a lc h a r a c t e ro fn a n o f l u i d s t h em e c h a n i s m so fh e a tc o n d u c t i o n m a s s 胁s 佗ra n d t h eo p t i c a la b s o r p t i o no fn a n o f l u i d sa r ei n v e s t i g a t e dt op r o v i d et h e o r e t i c a lg u i d a n c ef o rt h e a p p l i c a t i o no fn a n o f l u i d s t h em a i nr e s e a r c hw o r ko ft h i sp a p e ri n c l u d e st h ef o l l o w i n g a s p e c t s 1r e s e a r c ho nt h em e c h a n i s mo fh e a tc o n d u c t i o no fn a n o f l u i d s s i n c et h ec o n c e p to fn a n o f l u i d sh a v eb e e np r o p o s e d m a n ya t t e n t i o n sh a v eb e e np a i dt ot h e h e a tt r a n s f e rc h a r a c t e ro fn a n o f l u i d s al o to fe x p e r i m e n t a l r e s e a r c h e sa b o u tt h et h e r m a l c o n d u c t i v i t yo fn a n o f l u i d sh a v eb e e nr e p o r t e d e x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o w e dt h a tt h et h e m a l c o n d u c t i v i t yo fn a n o f l u i d si sr e m a r k a b l yh i g h e rt h a nt h a to fb a s ef u i d c o n s i d e r i n gv a r i o u s f a c t o r s r e s e a r c h e r sh a dp r o p o s e dm a n yt h e o r e t i cm o d e l st o e x p l a i nt h em e c h a n i s mo ft h e t h e r m a lc o n d u c t i v i t yo fn a n o f l u i d s b u tt h e r ei sn o ta p e r f e c tm o d e l t h em e c h a n i s mi ss t i l l u n c l e a r i no r d e rt om a k et h eh e a tc o n d u c t i o nm e c h a n i s mo fn a n o f l u i d sc l e a r f u r t h e rr e s e a r c h i sn e e d e d b a s e do na n a l y z i n gt h er e p o r t e dr e s e a r c h e sa b o u tt h et h e r m a lc o n d u c t i v i t yo f n a n o f l u i d s t h e f a c t o r sw h i c ha f f e c tt h et h e r m a lc o n d u c t i v i t yo fn a n o f l u i d sw e r es u m m a r i z e d t h et h e n n a l c o n d u c t i v i t yo ft h en a n o f l u i d sc a nb er e g a r d e da st h es u mo ft h es t a t i ct h e r m a lc o n d u c t i v i t a n dt h ed y n a m i ct h e r m a lc o n d u c t i v i t y i nt h i sp a p e r b yc o n s i d e r i n gt h ev a r i o u sf a c t o r sw h i c h a f f e c tt h et h e r m 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s t r u c t u r ea n dt h es t a t i ct h e r m a lc o n d u c t i v i 锣m o d e lo fn a n o f l u i d s t h ea n i s o t r o p i ch e a t c o n d u c t i o nm e c h a n i s mo fm a g n e t i cn a n o f l u i d si ss t u d i e d f i r s t t h ef o r c em o d e l sa n dn l o t i o n e q u a t i o n so fm a g n e t i cp a r t i c l e sa r ee s t a b l i s h e db yc o n s i d e r i n gt h ev a r i o u sf o r c e sa c t i n go nt h e m a g n e t i cp a r t i c l e s o nt h i sb a s i s t h em i c r o s t r u c t u r e so fm a g n e t i cn a n o f l u i d si nt h ep r e s e n c eo f d i f f e r e n tm a g n e t i cf i e l da r eo b t a i n e db yd y n a m i c ss i m u l a t i o n s t h e n t h ea n i s o t r o p i ct h e r m a l c o n d u c t i v i t yo fm a g n e t i cn a n o f l u i d si sc a l c u l a t e db yt h es t a t i ct h e r m a l c o n d u c t i v i t yo f n a n o f l u i d s t h er e s u l t ss h o wt h a ti nt h ep r e s e n c eo fa ne x t e r n a lm a g n e t i cf i e l d t h 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r a n s f e ro fn a n o f l u i d s 丘o mb o t l l t h e o r e t i c a la n de x p e r i m e n t a la s p e c t s 1 t h e o r e t i c a lr e s e a r c h t h ee 脏c to fb r o w n i a nm o t i o no ft h es u s p e n d e dn a n o p a r t i c l e so nt h em a s st r a n s f e ro f n a n o f l u i d si sa n a l y z e d b a s e do nt h es i m i l a r i t yt h e o r yo fh e a ta n dm a s st r a n s f e r t h ec r i t e r i o n e q u a t i o no fe f f e c t i v em a s sd i f f u s i v i t yo fn a n o f l u i d si sp r o p o s e d b yt h et h e o r e t i c a la n a l y s i so f m a s st r a n s f e ri nn a n o f l u i d s t h em a i nf a c t o r sw h i c ha f f e c tt h em a s sd i f f u s i v i t yo fn a n o f l u i d s a r ef o u n d 2 e x p e r i m e n t a lr e s e a r c h a c c o r d i n gt o t h ei d e ao ft h et a y l o r d i s p e r s i o nm e t h o d a ne x p e r i m e n t a ls y s t e mf o r m e a s u r i n gt h em a s sd i f f u s i v i t yo fn a n o f l u i d si sd e v i s e d i no r d 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c t i o n t h e v a b s t r a c t 博士论文 m a s sd i f f u s i v i t yi n c r e a s e sw i t ht h ei n c r e a s i n gt h et e m p e r a t u r e t h em a s sd i f f u s i v i t yo f r h o d a m i n ebi nc u w a t e rn a n o f l u i d si sg r e a t e rt h a nt h a ti nc u g l y c o ln a n o f l u i d s t h ee x p l o r a t o r yw o r ki n t h i sp a p e r0 nt h em a s st r a n s f e ro fn a n o f l u i d sh a sf i g u r e do u tt h e k e yf a c t o r st h a ta f f e c tt h em a s st r a n s f e ro fn a n o f l u i d s t h i sw o r kp l a y sag u i d i n gr o l ei n p r o m o t i n gt h ea p p l i c a t i o no fn a n o f l u i d si ne n g i n e e r i n g 3r e s e a r c ho nt h eo p t i c a lc h a r a c t e ro fn a n o f l u i d s t h ee x t i n c t i o nc o e f f i c i e n to fn a n o f l u i d si sa ni m p o r t a n tp a r a m e t e rw h i c ha f f e c t st h eo p t i c a l c h a r a c t e ro fn a n o f l u i d s i nt h i sp a p e r t h ee x t i n c t i o nc o e f f i c i e n to fn a n o f l u i d si ss t u d i e df r o m b o t he x p e r i m e n t a la n dt h e o r e t i c a la s p e c t s b e c a u s eo ft h es p e c i a lm a g n e t o o p t i c a le f f e c t s t h e m a g n e t i cn a n o f l u i d sa r em o r ea p p l i c a b l ei no p t i c a le n g i n e e r i n gt h a nt h eo r d i n a r yn a n o f l u i d s i nt h i sp a p e r t h eo p t i c a la n i s o t r o p ym e c h a n i s mo fm a g n e t i cn a n o f l u i d si sr e s e a r c h e db yt h e n e wt h e o r e t i c a lm o d e l 1 e x p e r i m e n t a lr e s e a r c h b a s e do nt h ef i l mt r a n s m i s s i o np r i n c i p l e t h ee x p e r i m e n t a lm e t h o df o rm e a s u r i n gt h e e x t i n c t i o nc o e 街c i e n to fn a n o f l u i d si se s t a b l i s h e d t h ee x t i n c t i o nc o e f f i c i e n t so fm ew a t e ra t d i f f e r e n tw a v e l e n g t h sa r em e a s u r e da n dc o m p a r e dt ot h el i t e r a t u r ev a l u e t h er e s u l t si n d i c a t e t h a tt h ep r e s 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3 2 纳米粒子聚集对导热系