【摘 要】
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由于毛细现象是一个与临界热流有关的热物理现象,可用于液体输送等。而纳米流体又是新一代的传热储热媒质,且可用于太阳能的光热转换介质。广泛的应用使得纳米流体和毛细现象的研究受到了广大人员关注。本论文以去离子水为基液的银纳米流体作为研究对象来研究其毛细现象及光热调控。理论上,基于Mie理论、DDA方法及热格林函数方法研究了单个和阵列结构银纳米球以及银纳米流体在去离子水中(折射率为1.33,热导率为0.5
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由于毛细现象是一个与临界热流有关的热物理现象,可用于液体输送等。而纳米流体又是新一代的传热储热媒质,且可用于太阳能的光热转换介质。广泛的应用使得纳米流体和毛细现象的研究受到了广大人员关注。本论文以去离子水为基液的银纳米流体作为研究对象来研究其毛细现象及光热调控。理论上,基于Mie理论、DDA方法及热格林函数方法研究了单个和阵列结构银纳米球以及银纳米流体在去离子水中(折射率为1.33,热导率为0.599 W/(mK))的光热特性。对半径为8-40nm的单个银纳米球,偶极共振波长随粒径的增大而红移;吸收效率最大值随粒径的增大先增大后减小;温度变化最大值随粒径的增大先增大后减小。对球间隔为10nm,半径为10-30nm银纳米球阵列,偶极共振波长与单个球的变化规律相同;在颗粒数较少时,随着粒径的增大吸收效率最大值表现出先增大后减小的趋势,随着阵列结构颗粒数的增多,该现象逐渐消失,相反地,其逐渐减小的现象越来越明显;银纳米阵列球中心线上温度变化最大值与单个球温度变化规律相同,但是银纳米球阵列内部的各个球温度分布不再均匀。对银纳米流体,吸收系数最大值随体积浓度的增加出现增大趋势,随粒径的增加出现减小趋势;温度随体积浓度的增加呈现增大趋势,随粒径的增加呈现出减小趋势。进一步地研究了比色皿内加热光两侧银纳米流体温度变化趋势,并建立了毛细高度与体积浓度、温度的模型,对于比色皿内加热光两侧的银纳米流体的温度,其从下到上呈现出先增大后减小的趋势。实验上,利用水热法制备了银纳米流体,然后通过不同的毛细管管径、不同的体积浓度及不同的温度对银纳米流体毛细现象进行了分析,在测量温度对毛细现象的影响时,采用了全新的实验思路,即先用热电偶测量比色皿内不同位置银纳米流体的温度,然后将毛细管插入比色皿时管口位于所测量温度的位置,管口的温度作为管内银纳米流体的温度,避免了直接去测量毛细管内的银纳米流体温度,从而避免了直接测量的困难以及由接触空气的间接测量所产生的较大误差。结果发现比色皿内加热光两侧的银纳米流体的温度变化规律与理论中相同;同时发现管径在0.1-0.5mm时,毛细高度随毛细管管径的增大呈现出减小趋势,体积浓度在2.06-3.37vol.%时,其随体积浓度的增大也呈现减小趋势,温度在18-27℃时,其随温度的升高呈现增大趋势。基于本论文的理论和实验研究,发现了纳米流体毛细效应与光热之间的规律,通过优化设计纳米颗粒的尺寸及颗粒浓度参数,可对纳米流体的毛细上升高度及表面张力系数进行可控调节。纳米流体毛细效应的光热调控研究在流体光子器件、流体传热储热应用、纳米流体的输运等领域具有潜在的应用价值。
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