納米流體能量傳遞理論與應(yīng)用

前言

由于科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和能源問(wèn)題的日益突出，傳統(tǒng)的換熱工質(zhì)已很難滿足高傳熱強(qiáng)度和微系統(tǒng)散熱等特殊條件下的傳熱與冷卻要求，低導(dǎo)熱系數(shù)的換熱工質(zhì)已成為制約研究新一代高效傳熱冷卻技術(shù)的主要障礙。隨著納米科學(xué)與技術(shù)的迅速發(fā)展和高效高熱流密度冷卻技術(shù)的迫切需求，研究人員開(kāi)始探索將納米技術(shù)應(yīng)用于新型換熱工質(zhì)的研制，提出了納米流體的概念，即以一定的方式和比例在液體工質(zhì)中添加納米級(jí)金屬或金屬氧化物粒子而形成的納米顆粒懸浮液。納米流體的概念一經(jīng)提出，立刻引起熱科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域的高度關(guān)注，來(lái)自世界不同國(guó)家的一些學(xué)者開(kāi)展了相應(yīng)的研究工作。研究表明，在液體中添加納米粒子，可以有效提高液體的導(dǎo)熱系數(shù)，強(qiáng)化液體的傳熱性能，顯示了納米流體在能量傳遞領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景.隨著研究工作的不斷深入，納米流體的概念與應(yīng)用基礎(chǔ)研究正在逐漸推廣到能源、動(dòng)力、化工、航天、航空、車輛、電子等行業(yè)中許多不同的流體流動(dòng)與能量質(zhì)量傳遞過(guò)程。由于納米粒子在液體中受到范德瓦耳斯力、布朗力、相間阻力、重力、浮力等力的作用，粒子與粒子、粒子與液體間的相互作用非常復(fù)雜，納米流體呈現(xiàn)出既不同于純液體又有別于傳統(tǒng)液固兩相混合物的奇異的結(jié)構(gòu)特征、熱物性以及流動(dòng)與能量傳遞特性，存在許多重要科學(xué)問(wèn)題亟待研究，比如：①納米粒子表面活性高、易團(tuán)聚，需研究高懸浮性、高穩(wěn)定性的納米制備方法；②系統(tǒng)開(kāi)展納米流體熱物性、流動(dòng)與傳熱性能的實(shí)驗(yàn)研究是揭示納米流體能量傳遞機(jī)理的前提；③納米流體內(nèi)部粒子分布特征與聚集結(jié)構(gòu)對(duì)納米流體的熱物性和能量傳遞特性起著至關(guān)重要的影響，亟待建立納米流體聚集結(jié)構(gòu)的理論與實(shí)驗(yàn)研究方法；④傳統(tǒng)的液固兩相混合物導(dǎo)熱理論不能解釋納米流體內(nèi)部的熱傳導(dǎo)過(guò)程，必須建立新的理論揭示納米流體強(qiáng)化導(dǎo)熱系數(shù)機(jī)理；⑤納米粒子微運(yùn)動(dòng)是影響納米流體能量傳遞特性的關(guān)鍵因素，迫切需要建立適用于納米流體能量傳遞的研究方法，尤其需要從微（介）觀層次，闡述粒子與粒子、粒子與液體間的作用機(jī)制，揭示納米流體流動(dòng)與能量傳遞的微觀機(jī)理；⑥納米流體技術(shù)作為一種新型高效能量傳遞技術(shù)，可應(yīng)用于眾多涉及能量傳遞過(guò)程的領(lǐng)域，納米流體應(yīng)用技術(shù)的研究工作也需開(kāi)展。

內(nèi)容概要

本書圍繞納米流體的制備方法、聚集結(jié)構(gòu)、輸運(yùn)參數(shù)、流動(dòng)與能量質(zhì)量傳遞特性等方面內(nèi)容，系統(tǒng)地總結(jié)了作者多年來(lái)在納米流體及其應(yīng)用基礎(chǔ)方面的研究工作，描述了納米流體的基本屬性、流動(dòng)與能量質(zhì)量傳遞特征，詳細(xì)介紹了納米流體流動(dòng)與能量質(zhì)量傳遞的理論和實(shí)驗(yàn)研究方法，重點(diǎn)闡述了納米流體聚集結(jié)構(gòu)與納米粒子微運(yùn)動(dòng)效應(yīng)對(duì)納米流體能量質(zhì)量傳遞過(guò)程的作用機(jī)制，并概述了納米流體在新型高效散熱冷卻和節(jié)能技術(shù)等領(lǐng)域的應(yīng)用研究進(jìn)展?！　”緯晒┠茉?、動(dòng)力、電子、航空航天、機(jī)械、化工、材料等領(lǐng)域從事熱科學(xué)理論與應(yīng)用技術(shù)的科研和技術(shù)人員，以及大專院校相關(guān)專業(yè)的師生參考。

書籍目錄

序 前言 第1章　緒論 　1.1　納米流體的基本概念 　1.2　納米流體的基本屬性 　　1.2.1　粒子形狀 　　1.2.2　粒徑分布 　　1.2.3　納米流體的結(jié)構(gòu) 　　1.2.4　納米流體的基本參數(shù) 　1.3　納米流體體系的基本作用力 　　1.3.1　粒子間的范德瓦耳斯力 　　1.3.2　粒子間的靜電排斥力 　　1.3.3　布朗力 　　1.3.4　浮升力 　　1.3.5　相間阻力 　1.4　納米流體在熱科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域的應(yīng)用 　　1.4.1　車輛散熱 　　1.4.2　航天器熱控制 　　1.4.3　電子儀器設(shè)備熱管理 　　1.4.4　生物醫(yī)學(xué) 　　1.4.5　核能系統(tǒng) 　　1.4.6　其他應(yīng)用 　參考文獻(xiàn) 第2章　納米流體制備方法 　2.1　納米流體的制備 　　2.1.1　單步法 　　2.1.2　兩步法 　2.2　納米流體的分散方法 　　2.2.1　物理法分散納米流體 　　2.2.2　化學(xué)法分散納米流體 　2.3　納米流體懸浮穩(wěn)定性分析 　參考文獻(xiàn) 第3章　納米流體的聚集結(jié)構(gòu) 　3.1　納米粒子布朗運(yùn)動(dòng) 　　3.1.1　朗之萬(wàn)運(yùn)動(dòng)方程 　　3.1.2　納米粒子的布朗運(yùn)動(dòng)模擬 　3.2　納米流體的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)與粒子運(yùn)動(dòng)特性 　　3.2.1　激光照射納米流體形成散斑的理論研究 　　3.2.2　激光散斑法測(cè)量納米顆粒運(yùn)動(dòng)速度 　3.3　納米流體的聚集模型 　　3.3.1　生長(zhǎng)模型 　　3.3.2　納米流體的聚集結(jié)構(gòu)模擬 　3.4　納米流體結(jié)構(gòu)的分形理論分析方法 　　3.4.1　分形概論 　　3.4.2　分維數(shù)的定義 　　3.4.3　納米流體聚集結(jié)構(gòu)的分形分析 　　3.4.4　納米流體結(jié)構(gòu)的實(shí)驗(yàn)研究與分析 　參考文獻(xiàn) 第4章　納米流體的輸運(yùn)參數(shù) 　4.1　納米流體導(dǎo)熱系數(shù)的瞬態(tài)熱線測(cè)量方法 　　4.1.1　瞬態(tài)熱線法 　　4.1.2　實(shí)驗(yàn)系統(tǒng) 　　4.1.3　誤差分析 　4.2　納米流體的導(dǎo)熱系數(shù) 　　4.2.1　納米粒子體積份額對(duì)納米流體導(dǎo)熱系數(shù)的影響 　　4.2.2　納米粒子屬性對(duì)納米流體導(dǎo)熱系數(shù)的影響 　　4.2.3　納米粒子尺度對(duì)納米流體導(dǎo)熱系數(shù)的影響 　　4.2.4　納米粒子形狀對(duì)納米流體導(dǎo)熱系數(shù)的影響 　　4.2.5　溫度對(duì)納米流體導(dǎo)熱系數(shù)的影響 　　4.2.6　納米流體懸浮穩(wěn)定性對(duì)納米流體導(dǎo)熱系數(shù)的影響 　　4.2.7　納米流體導(dǎo)熱系數(shù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分散性的討論 　4.3　納米流體強(qiáng)化導(dǎo)熱系數(shù)機(jī)理 　　4.3.1　納米粒子改變基液結(jié)構(gòu) 　　4.3.2　納米粒子微運(yùn)動(dòng)強(qiáng)化導(dǎo)熱系數(shù)的作用機(jī)理分析 　4.4　基于布朗動(dòng)力學(xué)理論的納米流體導(dǎo)熱系數(shù)模型 　　4.4.1　納米流體導(dǎo)熱系數(shù)的疊加原理 　　4.4.2　隨機(jī)過(guò)程 　　4.4.3　納米流體的導(dǎo)熱系數(shù) 　　4.4.4　計(jì)算與分析 　　4.4.5　納米粒子團(tuán)聚與納米流體導(dǎo)熱系數(shù)分析 　4.5　納米流體的黏度 　　4.5.1　兩相混合物的黏度 　　4.5.2　納米流體黏度的實(shí)驗(yàn)研究 　參考文獻(xiàn) 第5章　納米流體流動(dòng)與能量傳遞宏觀分析 第6章　納米流體流動(dòng)與能量傳遞介觀分析 第7章　納米流體技術(shù)的應(yīng)用 參考文獻(xiàn)

章節(jié)摘錄

插圖：能量與質(zhì)量傳遞過(guò)程已經(jīng)逐漸滲透到了眾多的科學(xué)技術(shù)和工業(yè)領(lǐng)域，包括動(dòng)力、冶金、石油、化工、材料等傳統(tǒng)工業(yè)領(lǐng)域和航空航天、電子、核能等高新技術(shù)領(lǐng)域。由于科學(xué)技術(shù)發(fā)展和高效緊湊低阻力裝備研制的需要，使得強(qiáng)化傳熱技術(shù)在近幾十年得到了廣泛重視和長(zhǎng)足發(fā)展，而節(jié)能減排與能源可持續(xù)發(fā)展的迫切要求更是對(duì)強(qiáng)化傳熱技術(shù)的發(fā)展提出了新的研究課題和新的要求。強(qiáng)化傳熱不僅可提高裝置或系統(tǒng)的傳熱速率，維持其正常運(yùn)行，而且可降低傳熱設(shè)備和熱量輸運(yùn)系統(tǒng)的尺寸和初投資，大大降低熱量輸運(yùn)過(guò)程中的能耗，對(duì)我國(guó)的節(jié)能和環(huán)保意義重大。眾所周知，熱量傳遞一般通過(guò)導(dǎo)熱、對(duì)流或輻射三種方式來(lái)實(shí)現(xiàn)。顯然，強(qiáng)化傳熱技術(shù)的研究和發(fā)展主要是從這三種傳熱過(guò)程的增強(qiáng)來(lái)進(jìn)行，其中涉及面最廣和研究最多的是對(duì)流換熱過(guò)程的強(qiáng)化。幾十年來(lái)，國(guó)內(nèi)外研究人員開(kāi)展了大量的對(duì)流傳熱強(qiáng)化技術(shù)的研究工作，取得了許多研究成果并已將其應(yīng)用于實(shí)際工業(yè)中，獲得了巨大的經(jīng)濟(jì)效益。這包括：擴(kuò)展表面，如換熱管內(nèi)、外翅片；處理表面，如多孔表面、鋸齒表面；渦流發(fā)生器，如扭曲帶、螺旋葉片或靜態(tài)混合器，以及機(jī)械攪動(dòng)、流體振動(dòng)、電磁場(chǎng)強(qiáng)化等。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和能源問(wèn)題的日益突出，熱交換系統(tǒng)的傳熱負(fù)荷和傳熱強(qiáng)度日益增大，熱交換設(shè)備的結(jié)構(gòu)尺寸限制及使用環(huán)境也日益苛刻，對(duì)熱交換系統(tǒng)的高效低阻緊湊等性能指標(biāo)的要求也越來(lái)越高，對(duì)強(qiáng)化傳熱技術(shù)提出了新的更高的要求。例如，航天器熱控制、高溫超導(dǎo)體的冷卻、薄膜沉積中的熱控制、高功率激光器的冷卻和大功率電子元器件與儀器設(shè)備的熱管理等，均需要滿足高熱流密度要求的新型傳熱技術(shù)。因此，亟須研制體積小、重量輕、傳熱性能好的高效緊湊式熱交換設(shè)備，以滿足高負(fù)荷傳熱要求，以及特殊條件下的強(qiáng)化傳熱要求。通常，強(qiáng)化傳熱技術(shù)的研究多從強(qiáng)化換熱表面、制造工藝以及外力輔助擾動(dòng)等著手。但是，在許多情況下，換熱工質(zhì)本身的傳熱性能已經(jīng)成為影響熱交換設(shè)備高效緊湊性能、提高熱交換系統(tǒng)傳熱性能的一個(gè)主要因素；另外，由于一些熱交換系統(tǒng)特殊結(jié)構(gòu)的限制和高負(fù)荷傳熱強(qiáng)度的要求，傳統(tǒng)的純液體換熱工質(zhì)（如水、油、醇等）已很難滿足一些特殊條件下的傳熱與冷卻要求。

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