纳米尺度颗粒与多孔介质热传递及通道内液体流动研究

论文摘要

随着对于多孔介质研究的深入以及高新技术领域不断提出的高要求,迫切需要了解微纳米多孔介质中的热质传递规律。本文采用分子动力学模拟并结合理论分析和实验研究对纳米颗粒热导率、纳米尺度接触热阻、纳米多孔结构热导率和纳米尺度流动四个方面的内容进行了研究。模拟计算了立方形和球形两种形状纳米氩颗粒的热导率,研究了颗粒形状对颗粒热导率的影响,拟合获得了能较好预测氩颗粒热导率的表达式;采用EAM势能模型对纳米镍颗粒因晶格振动产生的热导率进行了MD模拟研究,并结合电子导热对热导率的贡献得到纳米镍颗粒总的有效热导率,拟合获得了能较好预测镍颗粒热导率的表达式。对材料实际接触中有缝隙存在而导致的接触热阻建立了两个模型进行MD模拟,并考虑了近场辐射的影响,发现接触热阻随微接触面积增大而快速下降,随着微接触厚度增大而增大。通过拟合获得了预测纳米尺度接触热阻的表达式。结合微纳米尺度多孔结构中的热传递过程分析了已有宏观尺度多孔介质热导率模型应用在纳米尺度多孔材料上面临的问题,通过颗粒热导率和纳米尺度接触热阻的研究结果对已有模型进行了修正。通过Hot Disk测量了纳米镍颗粒堆积床及微米镍颗粒堆积床热导率,发现用修正后的模型计算结果与实验结果比较接近。采用MD模拟对纳米通道内液体流动进行了研究,发现壁面疏水/亲水程度仅影响紧靠壁面处液体的速度梯度和主流区抛物线型速度分布的“起点”速度,并未造成液体在壁面处速度不为0;当所加外力场较大时,通道内的流动不再属于Poiseuille流动;滑移长度体现了固壁和流体之间相互作用的内在特性;壁面突起可以影响壁面特性、改变滑移长度,但对液体粒子数密度分布基本没有影响,对流场的影响随着远离变截面位置而快速减弱。对水在纳米通道中流动进行了初步实验研究,得到去离子水在一种平均直径为240 nm亲水性圆孔里流动的滑移长度为-17.8～-19.1 nm。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 前言
• 1.1 研究背景及意义
• 1.1.1 强受热表面的热防护
• 1.1.2 MEMS 发展与电子器件散热
• 1.1.3 燃料电池质子交换膜
• 1.1.4 研究意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 纳米颗粒导热研究现状
• 1.2.2 接触热阻研究现状
• 1.2.3 纳米多孔结构热导率
• 1.2.4 微纳尺度液体流动研究现状
• 1.2.5 分子动力学并行计算研究现状
• 1.3 目前研究中存在的不足
• 1.4 本文的研究内容
• 第2章 分子动力学模拟与并行计算
• 2.1 分子动力学模拟简介
• 2.2 势能模型
• 2.2.1 Lennard-Jones 势能模型
• 2.2.2 TIP4P 势能模型
• 2.2.3 嵌入原子势能模型
• 2.3 边界条件对MD 模拟的影响
• 2.3.1 边界条件的描述
• 2.3.2 薄膜导热模拟方法
• 2.3.3 薄膜导热的BTE 近似求解
• 2.3.4 薄膜导热模拟结果
• 2.4 MD 的并行算法及计算环境
• 2.5 本章小结
• 第3章 纳米颗粒热导率的理论分析和MD 研究
• 3.1 纳米颗粒热导率的理论分析
• 3.1.1 基于声子动力论的分析
• 3.1.2 基于BTE 求解的分析
• 3.2 纳米氩颗粒热导率的MD 研究
• 3.2.1 模型及模拟方法
• 3.2.2 温度分布及快照
• 3.2.3 颗粒热导率结果
• 3.3 纳米镍颗粒的热导率
• 3.3.1 模型及模拟方法
• 3.3.2 温度分布及热导率结果
• 3.4 本章小结
• 第4章 纳米尺度接触热阻的模拟
• 4.1 接触热阻宏观热分析
• 4.2 纳米尺度接触热阻MD 研究
• 4.2.1 模型及模拟细节
• 4.2.2 位型变化和温度分布
• 4.2.3 近场热辐射的影响
• 4.2.4 接触热阻值
• 4.3 本章小结
• 第5章 纳米多孔结构热导率理论分析与实验研究
• 5.1 纳米多孔结构中的热传递分析
• 5.1.1 多孔介质的导热模型
• 5.1.2 多孔介质中的热辐射分析
• 5.1.3 纳米多孔材料热导率分析
• 5.2 镍颗粒堆积床多孔结构热导率实验研究
• 5.2.1 测量原理与测量仪器
• 5.2.2 镍颗粒堆积床多孔结构
• 5.3 模型计算结果及与实验值的对比
• 5.4 本章小结
• 第6章 纳米尺度通道内液体流动的MD 模拟与实验研究
• 6.1 纳米平直通道中液体氩流动的MD 模拟
• 6.1.1 模型及模拟方法
• 6.1.2 粒子数密度分布
• 6.1.3 速度分布
• 6.1.4 速度滑移与摩擦阻力
• 6.2 纳米平直通道中水流动的MD 模拟
• 6.2.1 模型及模拟方法
• 6.2.2 粒子数密度分布
• 6.2.3 速度分布
• 6.2.4 速度滑移与摩擦阻力
• 6.3 变截面纳米通道中液体氩流动MD 模拟
• 6.3.1 模型及模拟方法
• 6.3.2 外力场施加方法验证
• 6.3.3 粒子数密度分布
• 6.3.4 速度分布
• 6.3.5 速度滑移
• 6.4 纳米通道中液体流动实验研究
• 6.4.1 实验系统与实验段介绍
• 6.4.2 相关数据的测量
• 6.4.3 实验数据处理
• 6.4.4 实验系统误差分析
• 6.4.5 实验结果
• 6.4.6 分析与讨论
• 6.5 本章小结
• 第7章 结论
• 参考文献
• 致谢
• 个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果