納米流體微結構形態對微尺度傳熱的影響研究

《納米流體微結構形態對微尺度傳熱的影響研究》是依託杭州電子科技大學，由王瑞金擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：納米流體微結構形態對微尺度傳熱的影響研究
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：王瑞金
• 依託單位：杭州電子科技大學

項目摘要

近年來納米流體作為傳熱介質來強化傳熱，引起許多研究者的興趣。然而，目前的實驗研究結果還與理論模型和數值模擬結果存在不少矛盾的地方，其原因是納米流體強化傳熱的微觀機理尚不清楚。本項目將建立一種能適合於微尺度傳熱研究的基於多粒子碰撞動力學-分子動力學混合模型（MPCD-MD）的數值模擬方法，並用這種方法研究不同性質納米流體在不同條件下納米顆粒和顆粒簇的運動及其聚集形態（即納米流體微結構）對傳熱性能的影響，從而闡明納米流體強化傳熱的微觀機理。然後用動態光散射（DLS）和掃描電鏡（SEM）實驗測量納米流體微結構參數；用微粒子圖像測速（Micro-PIV）測量微通道內流場；用瞬態熱線法（THW）測量納米流體導熱係數，以驗證數值模擬結果。為納米流體傳熱強化規律的揭示，為高導熱性能的納米流體的製備，為微機電系統中的傳熱器件的設計提供基礎。

結題摘要

近年來由於納米流體強化傳熱在微電子晶片、能源與環境、生物醫藥、材料與化學工程等領域的廣泛套用，引起眾多研究者的濃厚興趣。顆粒聚集形態對導熱也有很大影響，但其影響機理目前為止尚不清楚，而且實驗結果也存在著許多矛盾的地方，也還沒有滿意的解釋。本項目的主要研究目標是（1）建立一種適用的基於多粒子碰撞動力學和分子動力學（MPCD-MD）混合模型的數值模擬方法；（2）研究納米顆粒聚集形態對納米流體導熱係數的影響規律。（3）納米流體傳熱強化的套用研究。 為此，進行了以下幾方面的研究：（1）首先研究分子動力學模擬方法，特別是粗粒化分子動力學；然後研究多粒子碰撞動力學算法；最後將二種粒子方法通過隨機旋轉變換耦合。（2）用MPCD-MD方法數值模擬不同納米顆粒分布情況下的導熱係數和分形維數，其中用Green-Kube法求納米流體導熱係數，用自編的程式計算分形維數，最後得到不同條件下納米顆粒聚集形態和結構對納米流體導熱係數的影響規律。（3）將摸索到的納米流體傳熱強化的規律，運用到實際工程中去，設計了多款微通道熱沉、微粒子分選器和微混合器。 通過以上內容的研究，得到以下重要結果：（一）用MPCD-MD納米流體傳熱的好處在於：（1）能考慮納米顆粒之間的作用，得到聚集形態，計算分形維數，（2）又能研究納米流體中基液和納米顆粒之間的相互作用的微觀機制，（3）還能大大減小粒子數量很大的基液的流動和傳熱的模擬工作量。（二）成功用多粒子碰撞動力學-分子動力學耦合模型，探索了納米顆粒聚集體的分形維數和納米流體導熱係數之間的定量關係。（三）將納米流體套用到微器件的設計和最佳化方面，成功設計四款微通道熱沉，二款微粒子分選器和二款微混合器。 關鍵數據：發表論文16篇，其中SCI收錄論文11篇（中科院top期刊5篇）；發表EI收錄論文3篇，其他核心雜誌論文2篇。申請發明專利6項，已經授權3項。 科學意義：（1）將多粒子碰撞動力學-分子動力學二種粒子法進行耦合，得到了能夠考慮微觀機制的介觀數值模擬方法，大幅減小分子動力學的計算量，同時也拓寬了多粒子碰撞動力學的套用範圍。（2）成功解釋了納米顆粒聚集形態對納米流體導熱係數影響的機理和定量關係，為理解顆粒聚集對納米流體傳熱性能影響規律提供理論支持。