能量转换设备向高功率、集成化方向发展的同时,对热管理提出了更高的要求。在热设备的冷却方式中,以对流换热形式应用范围最广。选用换热能力更优的纳米流体代替传统冷却介质,可以允许不改变设备上游设计,而仅从流体侧着手提高对流换热系数,这一点已经得到了广泛的证实。已有研究证明,采用颗粒浓度相对较高的纳米流体可以强化对流换热,但一味提高颗粒浓度并不可取,因为浓度过高会导致流体粘度飙升、流阻变大、颗粒团聚加剧甚至在壁面过度沉积。如何能在合理的颗粒浓度范围内进一步强化纳米流体的对流换热,同时保证流动阻力可控,截至目前还未有相对成熟的理论思考与科学实践。对于上述两个限制纳米流体广泛应用的核心问题,本文分别给出了解决方案:一是为纳米磁流体匹配外磁场,进一步强化对流换热;二是为纳米流体匹配疏水壁面,在强化换热的基础上还可以减小流动阻力。以如上两个思路为指引,本文采用理论、实验和数值模拟相结合的方法,分别对两种方案给出了具体的科学实践,丰富了纳米流体科学理论体系。主要研究内容及成果如下:（1）纳米流体的制备、悬浮稳定性以及输运参数测定。运用两步分散法制备了Fe3O4/DI-water纳米磁流体与Si O2/DI-water纳米流体,纳米磁流体Zeta电位=+39.8 m V,微观形貌与静态测试结果证明两种纳米流体都有较好的分散性。运用实验方法测试了两种纳米流体在不同温度时的比热容、导热系数、动力粘度,为后续数值模拟提供了必要的热物性参数。测定了2.00%Fe3O4/DI-water纳米磁流体的磁滞回线和饱和磁化强度,发现其具有超顺磁性,并结合磁畴的实际尺寸分析了纳米尺度是产生超顺磁性的原因,证实了常温下的小范围温度变化并不会影响纳米磁流体悬浮稳定性、饱和磁化率和磁矩。评估了重力、布朗力、开尔文力（Kelvin力）如何影响颗粒悬浮稳定性,指出Kelvin力不会引发流体变性。（2）纳米磁流体在磁场控制下的强迫对流和流动阻力实验研究。设计了管内强迫对流实验台,探讨了磁场控制下纳米磁流体的对流换热和流动阻力变化。发现与双侧正对布置、单侧排列布置方式相比,双侧交错布置的静态磁场可以最大程度提升系统的对流换热,同时保证较小的流动阻力,如雷诺数Re=2400、磁场强度B=4320 Gs、双侧交错布置的磁场可使浓度2.0%纳米磁流体的平均对流换热系数较无磁场时提升6.8%,较去离子水提升13.4%。进一步分析纳米磁流体强化换热的原因是由于受到磁场诱导,纳米颗粒微运动状态会从低温度梯度中心区向高温度梯度近壁区迁移,若外部磁场力方向有动态变化时,强化换热效果会进一步提升。为系统匹配匀速靠近的动态磁场,观测到在靠近磁体位置局部对流换热系数随磁场强度增强而增大,且当磁场强度达到峰值不再变化时,局部对流换热系数也达到峰值并最终趋于稳定的完整动态过程,证实了可以通过改变磁场力强弱及空间分布间接调控纳米磁流体的强迫对流换热。（3）纳米磁流体在磁场控制下的强迫对流和流动阻力数值模拟研究。应用欧拉-拉格朗日多相流模型,从离散相与连续相各自的运动特性出发,探讨了磁场控制纳米磁流体对流换热的物理机制。稳态研究结果表明,纳米颗粒与基础流体的径向速度波动、相间速度滑移、近壁区颗粒聚集效应是强化低雷诺数对流换热的原因;纳米颗粒的径向脉动、相间速度滑移、近壁区涡量变化是强化高雷诺数对流换热的原因。另外,近壁区出现碎涡是磁场有效强化换热的理想状态,可作为判断流速与磁场强度是否匹配合理的标准。瞬态研究结果证明,外磁场可以拓宽流体脉动速度范围、提高脉动速度强度,增强基础流体的湍流扩散,改善主流区的涡量特性。（4）疏水壁面改善纳米流体对流换热和流动阻力的实验与数值模拟研究。采用化学腐蚀法,通过控制Ag NO3腐蚀液浓度与反应时间,在铜管内壁面构建了微纳尺度板晶状银晶体结构,再覆以0.015 mol/L苯甲酸,制得了接触角139°的铜管内壁面。Si O2/DI-water纳米流体匹配疏水壁面的实验研究证明,强化换热效果在层流流态并不明显,但在湍流流态非常突出,且当纳米流体浓度大于1.0%时,可以同时优化换热与流阻,如?=2.0%时换热系数提高18.1%,流动减阻4.9%,换热与流阻综合评价指标Webb系数i E=1.20。运用数值模拟方法从流动特性出发探讨了疏水壁面改善纳米流体对流换热与减阻的机理,强化换热机理有二:1)疏水壁面对流体的粘滞效应更弱,使流体可以以更快速度流过高温度梯度的近壁区;2)疏水壁面一定程度克服了升力效应,阻止了纳米颗粒从近壁高剪切区域向主流低剪切区域迁移。减阻机理亦有二:1)疏水壁面微纳结构“捕获”的空气微团在流体与壁面之间形成润滑层,使流体以近似“滑过”的状态流过气泡顶部;2)苯甲酸结晶表面能低,不足以破坏与之接触的流体微团表面张力。