介观尺度下纳米流体的研究与模拟

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目前,不论是在微观还是宏观领域,对散热制冷的要求越来越高。纳米流体,作为新一代传热冷却介质的代表,由于其表现出稳定性好、导热性高、不易堵塞微通道以及减少腐蚀和节约能量等特点,越来越成为众多专家学者的研究重点。然而纳米流体的强化传热机理还不是很明确,这将大大阻碍人们对其有效的开发和使用。   现代计算机的发展使得可以采用分子动力学等微观模型代替实验米研究纳米流体,分子动力学因其能够详细描述粒子的微观运动而得到广泛运用,但是大量的粒子导致计算量的增加又对计算速度提出了新的挑战。另一方面介观模型既能反映流体的流动和传热特性,又不会如分子动力学那样带米很大的计算量,因此越来越多的应用到计算流体力学中。本文首先分别介绍了两种介观方法:格子Boltzmann方法和多粒子碰撞动力学方法,并分别采用这两种方法进行了流体的流动和热传导模拟计算。在纳米流体中纳米粒子是我们最关注的对象,相对于外围的液体粒子其数目是很小的,因此我们可以使用分子动力学来分析纳米粒子,而对其外围液体粒子采用介观模型。格子Boltzmann方法是基于离散基础上的计算粒子分布函数的介观方法,每个时刻其粒子的速度是离散的,粒子的位置则是根据离散的速度方向运动到相邻的格点上;而多粒子碰撞动力学方法中粒子的位置和速度都是连续值,是一种基于粒子基础上的动力学,可以把它理解成介观上的分子动力学,所以我们选择后者和分子动力学结合起来组成混合分子动力学。文中采用此混合分子动力学方法模拟了液体中添加纳米颗粒后的导热系数,结果显示由于添加了纳米粒子,纳米粒子的运动破坏了流体原来的运动,同时纳米粒子会随着时间的推移发生团聚现象,从而在纳米流体中形成了由纳米粒子组成的高效导热路径,因此纳米流体的导热系数与纯液体相比有明显提高。
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