纳米流体流动与相间作用_董双岭著_9787030495068

纳米流体流动与相间作用

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　　《博士后文库：纳米流体流动与相间作用》对纳米流体流动传热和两相间的相互作用进行了重点论述，内容包括纳米流体的应用背景、制备方法和整体特性，纳米流体绕圆柱和通道内流动传热的数值模拟，纳米颗粒和流体之间主要作用的阻力和布朗力的模型改进，基于温度非线性分布的有效热导率的研究，与温度梯度剪切变化和颗粒旋转相关的热泳作用方式的提出和特征分析。
　　《博士后文库：纳米流体流动与相间作用》适用于流体力学、工程热物理和生物医学等相关专业研究生和高年级本科生阅读，也可供从事热能工程和太阳能研究的科研人员与工程技术人员参考。

　博士后制度已有一百多年的历史。世界上普遍认为，博士后研究经历不仅是博士们在取得博士学位后找到理想工作前的过渡阶段，而且也被看成是未来科学家职业生涯中必要的准备阶段。中国的博士后制度虽然起步晚，但已形成独具特色和相对独立、完善的人才培养和使用机制，成为造就高水平人才的重要途径，它已经并将继续为推进中国的科技教育事业和经济发展发挥越来越重要的作用。
　　中国博士后制度实施之初，国家就设立了博士后科学基金，专门资助博士后研究人员开展创新探索。与其他基金主要资助“项目”不同，博士后科学基金的资助目标是“人”，也就是通过评价博士后研究人员的创新能力给予基金资助。博士后科学基金针对博士后研究人员处于科研创新“黄金时期”的成长特点，通过竞争申请、独立使用基金，使博士后研究人员树立科研自信心，塑造独立科研人格。经过30年的发展，截至2015年底，博士后科学基金资助总额约26.5亿元人民币，资助博士后研究人员5万3千余人，约占博士后招收人数的1/3。截至2014年底，在我国具有博士后经历的院士中，博士后科学基金资助获得者占72.5%。博士后科学基金已成为激发博士后研究人员成才的一颗“金种子”。
　　在博士后科学基金的资助下，博士后研究人员取得了众多前沿的科研成果。将这些科研成果出版成书，既是对博士后研究人员创新能力的肯定，也可以激发在站博士后研究人员开展创新研究的热情，同时也可以使博士后科研成果在更广范围内传播，更好地为社会所利用，进一步提高博士后科学基金的资助效益。
　　中国博士后科学基金会从2013年起实施博士后优秀学术专著出版资助工作。经专家评审，评选出博士后优秀学术著作，中国博士后科学基金会资助出版费用。专著由科学出版社出版，统一命名为《博士后文库》。
　　资助出版工作是中国博士后科学基金会“十二五”期间进行基金资助改革的一项重要举措，虽然刚刚起步，但是我们对它寄予厚望。希望通过这项工作，使博士后研究人员的创新成果能够更好地服务于国家创新驱动发展战略，服务于创新型国家的建设，也希望多的博士后研究人员借助这颗“金种子”迅速成长为国家需要的创新型、复合型、战略型人才。
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　　《博士后文库：纳米流体流动与相间作用》：
　　1.1.1纳米流体绕流的分析
　　纳米微粒是指尺寸介于1～100nm的金属或聚合物的小颗粒，它们表现出多种独特的热、光、电、磁等性质。纳米流体指纳米尺度粒子的胶体悬浮液，在航空航天、能源动力、机械电子、生物医学等领域都具有潜在的应用前景。在新一代高效传热冷却技术的研究等很多领域都涉及纳米流体介质的流动问题。很多研究表明纳米流体在流动过程中呈现很多特殊现象，如流体中粒子团聚、无规行走、表面吸附等都有待开展更深入的研究。研究纳米流体流动和传热的复杂过程以及粒子迁移、团聚等的运动学特征和动力学机理，对新的强化传热技术的开发等都具有非常重要的作用。
　　目前纳米流体的添加物主要有金属和非金属纳米粒子、碳纳米管以及纳米液滴。基液主要采用水、乙二醇、油等常用的传热流体。高热导率的金属纳米颗粒的加入增加了悬浮液混合物的热导率，从而可以提高其整体的传热性能。大量的实验研究表明，在流体中添加纳米粒子，由纳米流体替代传统的冷却剂具有一定的发展前途。Lee等研究了纳米流体的热导率特征，并分析了已提出的各种模型与实验数据之间的差异。Wang等总结了以前的研究中纳米流体热传导的主要潜在机制，给出了他们的实验数掘，并认为导热系数提高的关键因素在于纳米团聚。Mahian等研究了太阳能工程中纳米流体的应用，并讨论了纳米流体对太阳能设备性能的影响。
　　国内外相继出版了几部关于纳米流体的专著。宣益民和李强系统地总结了国内外一些研究小组在纳米流体及其应用基础方面的研究工作，详细介绍了纳米流体流动与能量质量传递的理论和实验研究方法，重点阐述了纳米流体聚集结构与纳米粒子微运动效应对纳米流体能量质量传递过程的作用机制，并概述了纳米流体在新型高效散热冷却和节能技术等领域的应用研究进展。关于纳米粒子悬浮液的研究近期有一些综述性的文献，如关于热物理性质，稳定性特征，导热的模型以及在太阳能工程中的应用。Wang和Mujumdar总结了关于各种纳米流体的传热性能的理论和数值研究，综合比较了不同研究者给出的导热系数、粘性系数和努塞尔数的函数关联式。Saidura等对纳米流体在不同系统中的具体应用做了系统的介绍，如发动机冷却系统、太阳能热水器、电子器件冷却、核反应堆系统和航天器热控制系统等，同时，还指出了应用中所遇到的一些困难，比如悬浮粒子的稳定性、粒子团聚、粘性增加、压降变大等都限制了纳米流体在实际中的应用。纳米材料奇异的物理性质决定了纳米流体与微米和毫米级粒子悬浮液的不同，经典的传热学理论不再适用于纳米流体。对此，很多研究者进行了大量的研究，重点集中在纳米流体热物性方面的描述。大量实验研究表明，纳米结构可以很好地增强纳米流体的热输运。然而如Kleinstreuer等指出的，关于导热系数的实验数据缺乏一致性，需要考虑不只有一种可能的机制，而是结合几种机制解释比较实验结果。Wang等从粒子团聚和布朗运动引起的微对流解释了纳米流体的导热机制，发现热导率随粒子尺寸的增加而减小，而与颗粒体积分数基本呈线性增长的关系。李强和胡卫峰等认为添加固体颗粒会引起基础流体结构的改变，从而增强悬浮液内的热量输运过程，使得热导率增加。粒子在纳米流体中作布朗运动的过程中，伴随着其所携带的热量迁移，这部分由粒子引起的能量转移很大程度上提高了纳米流体内的能量输运性能。楚广等采用自悬浮定向流法制备铜纳米微粒，分析了该定向流法制备颗粒的微观结构和性能，主要针对纳米铜微晶的粒度、结构和形貌进行了研究。彭小飞等测量了纳米颗粒悬浮液的热物性，考察了纳米流体有效热导率的理论模型，分析了粒子尺寸、体积分数、流体温度以及表面活性剂等因素对热导率的影响。吴信宇等研究了梯形硅基芯片微通道内纳米流体的对流与传热特性，发现当流体平均温度升高时纳米流体的强化传热效果有所增强，并且根据实验数据获得了对流传热关联式。正如许多研究者指出的，纳米流体强化传热的确切机制还不是完全明晰。未来需要研究的重点之一在于找出影响纳米流体物性特征的主要参数。比如纳米流体热导率可以是一些参数的函数关联式，包括颗粒形状、颗粒团聚、颗粒分散度等。
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