微管道中纳米流体流动及传热研究

摘要

近些年来，能源的开发及可持续利用问题正受到人们越来越多的关注.特别是在飞速发展的微型制造工艺和微细加工技术的影响下，微机电系统(MEMS)对热交换设备的换热性能也提出了更高的要求.纳米流体的诞生适应了这种发展的潮流，其改良的液体导热性能，显著地提高了系统的传热效率，而且流体本身不易发生粒子沉淀及对流道磨损和堵塞等问题，极大地拓展了其在工业领域中的应用.
　　微流体系统本身具有特殊的微尺度效应、毛细效应、滑移效应、快速热传导效应等.基于这些不同的效应，微通道内流体运动的实现手段也有多种方式，例如利用压力、表面张力，电场力、磁场力、高频声波等.尤其是在当下迅速发展的电泳系统中，电渗流是占主导地位的驱动技术之一.由于电渗驱动具有高效率、易控性、且不会对机械构件造成破坏等优点，目前它被广泛的应用于生物、化学和医学等领域.
　　流动电势同样可以引发微系统的电渗流动，而流动电势本身就是一种特殊的电渗现象.不同于普通的电渗流诱导机制，这种电渗流动不需要外部电场的介入.对于流动电势的研究相对成熟，无论在理论分析还是实验检验方面，都取得了丰富的成果.但是我们也看到，纳米流体在流动电势研究方面的报道还是很匮乏.
　　同时，作为微流体有效驱动机制的磁场力即洛伦兹力被普遍应运于多种研究领域中，特别是在纳米流体的流动及传热问题中.在洛伦兹力的分析中，很多的研究工作都将电场的产生单纯视为流体运动与外加磁场的综合效应，而忽略了外部电场的应用.然而，外加电场同样会对微系统产生显著的影响.
　　基于以上的分析，本文着重研究了流动电势作用下平行微管道及圆形微管道中纳米流体的流动与传热.进一步地分析了多场耦合作用下微管道内纳米流体的流动及传热机理.另外，我们考虑外部电场的情形下，探究了微管道中EMHD纳米流体的流动及热量传递问题.
　　在本文的分析中，我们建立了双电层(EDL)及电场势所满足的Poisson-Boltzman方程，求解电场势分布，进而获得描述电场力的电荷密度分布.再将流动电势及电场力代入纳米流体所满足的修正动量及能量方程中，在不同边界条件下，解析求解了纳米流体流场的速度及温度分布，并获得了描述纳米流体热量传递的重要参数努赛尔数(Nusselt number)的解析表达.

目录

声明

摘要

符号说明

第一章 绪论

1．1 课题研究背景及意义

1．2 国内外研究现状及其发展趋势

1．2．1 外加电场作用下纳米流体的电渗流动及传热问题

1．2．2 流动电势作用下纳米流体的电渗流动及传热问题

1．2．3 电磁场作用下纳米流体的电渗流动及传热问题

1．3 研究目标及内容

1．3．1 研究目标

1．3．2 研究内容

第二章 预备知识

2．1 双电层

2．1．1 双电层形成机理

2．1．2 双电层的结构模型

2．1．3 双电层电势分布

2．2 电渗流

2．3 流动电势

2．4 电磁流

第三章 平行微管道纳米流体的流动及传热

3．1 问题的提出

3．2 公式推导

3．2．1 电势及其近似解

3．2．2 速度及温度场的求解

3．2．3 系统的熵分析

3．3 结果与讨论

3．4 本章小结

第四章 圆形微管道纳米流体的流动及传热

4．1 问题的提出

4．2 公式推导

4．2．1 电势及其近似解

4．2．2 速度及温度场的求解

4．2．3 努塞尔数(Nusselt number)的表达

4．3 结果与讨论

4．4 本章小结

第五章 平行微管道磁场作用下的纳米流体流动及传热

5．1 问题的提出

5．2 公式推导

5．2．1 电势及其近似解

5．2．2 速度及温度场的求解

5．2．3 努塞尔数(Nusselt number)的表达

5．3 结果与讨论

5．4 本章小结

第六章 平行微管道中EMHD纳米流体流动及传热

6．1 问题的提出

6．2 公式推导

6．2．1 EMHD纳米流体速度分布

6．2．2 EMHD纳米流体温度分布

6．2．3 努塞尔数(Nusselt number)表达

6．3 结果与讨论

6．4 本章小结

第七章 结论与展望

7．1 全文总结

7．2 论文创新点

7．3 工作展望

参考文献

致谢

攻读学位期间发表的学术论文

攻读学位期间参加的学术会议

攻读学位期间主持或参与的科研项目