《博士后文庫：納米流體流動與相間作用》對納米流體流動傳熱和兩相間的相互作用進(jìn)行了重點(diǎn)論述，內(nèi)容包括納米流體的應(yīng)用背景、制備方法和整體特性，納米流體繞圓柱和通道內(nèi)流動傳熱的數(shù)值模擬，納米顆粒和流體之間主要作用的阻力和布朗力的模型改進(jìn)，基于溫度非線性分布的有效熱導(dǎo)率的研究，與溫度梯度剪切變化和顆粒旋轉(zhuǎn)相關(guān)的熱泳作用方式的提出和特征分析。
《博士后文庫：納米流體流動與相間作用》適用于流體力學(xué)、工程熱物理和生物醫(yī)學(xué)等相關(guān)專業(yè)研究生和高年級本科生閱讀，也可供從事熱能工程和太陽能研究的科研人員與工程技術(shù)人員參考。
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博士后制度已有一百多年的歷史。世界上普遍認(rèn)為，博士后研究經(jīng)歷不僅是博士們在取得博士學(xué)位后找到理想工作前的過渡階段，而且也被看成是未來科學(xué)家職業(yè)生涯中必要的準(zhǔn)備階段。中國的博士后制度雖然起步晚，但已形成獨(dú)具特色和相對獨(dú)立、完善的人才培養(yǎng)和使用機(jī)制，成為造就高水平人才的重要途徑，它已經(jīng)并將繼續(xù)為推進(jìn)中國的科技教育事業(yè)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展發(fā)揮越來越重要的作用。
中國博士后制度實(shí)施之初，國家就設(shè)立了博士后科學(xué)基金，專門資助博士后研究人員開展創(chuàng)新探索。與其他基金主要資助“項(xiàng)目”不同，博士后科學(xué)基金的資助目標(biāo)是“人”，也就是通過評價(jià)博士后研究人員的創(chuàng)新能力給予基金資助。博士后科學(xué)基金針對博士后研究人員處于科研創(chuàng)新“黃金時(shí)期”的成長特點(diǎn)，通過競爭申請、獨(dú)立使用基金，使博士后研究人員樹立科研自信心，塑造獨(dú)立科研人格。經(jīng)過30年的發(fā)展，截至2015年底，博士后科學(xué)基金資助總額約26.5億元人民幣，資助博士后研究人員5萬3千余人，約占博士后招收人數(shù)的1/3。截至2014年底，在我國具有博士后經(jīng)歷的院士中，博士后科學(xué)基金資助獲得者占72.5%。博士后科學(xué)基金已成為激發(fā)博士后研究人員成才的一顆“金種子”。
在博士后科學(xué)基金的資助下，博士后研究人員取得了眾多前沿的科研成果。將這些科研成果出版成書，既是對博士后研究人員創(chuàng)新能力的肯定，也可以激發(fā)在站博士后研究人員開展創(chuàng)新研究的熱情，同時(shí)也可以使博士后科研成果在更廣范圍內(nèi)傳播，更好地為社會所利用，進(jìn)一步提高博士后科學(xué)基金的資助效益。
中國博士后科學(xué)基金會從2013年起實(shí)施博士后優(yōu)秀學(xué)術(shù)專著出版資助工作。經(jīng)專家評審，評選出博士后優(yōu)秀學(xué)術(shù)著作，中國博士后科學(xué)基金會資助出版費(fèi)用。專著由科學(xué)出版社出版，統(tǒng)一命名為《博士后文庫》。
資助出版工作是中國博士后科學(xué)基金會“十二五”期間進(jìn)行基金資助改革的一項(xiàng)重要舉措，雖然剛剛起步，但是我們對它寄予厚望。希望通過這項(xiàng)工作，使博士后研究人員的創(chuàng)新成果能夠更好地服務(wù)于國家創(chuàng)新驅(qū)動發(fā)展戰(zhàn)略，服務(wù)于創(chuàng)新型國家的建設(shè)，也希望多的博士后研究人員借助這顆“金種子”迅速成長為國家需要的創(chuàng)新型、復(fù)合型、戰(zhàn)略型人才。
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目錄
《博士后文庫》序言
序
前言
第 1 章 緒論 1
1.1 研究概述 1
1.1.1 納米流體繞流的分析 1
1.1.2 兩相間的主要作用力模型 6
1.1.3 納米流體的導(dǎo)熱模型 8
1.1.4 熱泳和熱泳作用力 10
1.2 數(shù)值方法 11
1.2.1 有限元方法在流體中的應(yīng)用 11
1.2.2 CBS 算法 13
參考文獻(xiàn) 22
第 2 章 納米流體以及繞圓柱流動的模擬 33
2.1 納米流體研究簡介 33
2.1.1 納米流體的應(yīng)用與描述 33
2.1.2 納米流體的制備 33
2.1.3 納米流體的基本特性 36
2.2 納米流體繞圓柱流動與傳熱的單相流模擬 38
2.2.1 控制方程 38
2.2.2 邊界條件與數(shù)值驗(yàn)證 40
2.2.3 結(jié)果與分析 42
2.3 本章小結(jié) 45
參考文獻(xiàn) 45
第 3 章 通道內(nèi)納米流體的流動傳熱 50
3.1 微通道內(nèi)納米流體流動傳熱的數(shù)值模擬 50
3.1.1 控制方程 50
3.1.2 邊界條件與數(shù)值驗(yàn)證 50
3.1.3 結(jié)果與分析 51
3.2 通道內(nèi)納米流體兩相流模型的數(shù)值模擬 58
3.2.1 控制方程和計(jì)算方法 58
3.2.2 結(jié)果與分析 60
3.3 本章小結(jié) 65
參考文獻(xiàn) 65
第 4 章 顆粒流體間的布朗力和阻力 67
4.1 改進(jìn)的布朗力模型及其運(yùn)用 67
4.1.1 隨機(jī)力模型 67
4.1.2 擬阻力模型 68
4.1.3 布朗力模型的驗(yàn)證 69
4.1.4 通道流動中的應(yīng)用 70
4.2 改進(jìn)的阻力模型及其運(yùn)用 75
4.2.1 阻力模型 75
4.2.2 薄液層的粘性分布 77
4.2.3 阻力模型的驗(yàn)證 78
4.2.4 圓盤流動中的應(yīng)用 79
4.3 改進(jìn)的模型在納米流體繞流模擬中的應(yīng)用 83
4.3.1 控制方程 83
4.3.2 邊界條件與數(shù)值驗(yàn)證 84
4.3.3 結(jié)果與分析 86
4.4 本章小結(jié) 95
參考文獻(xiàn) 95
第 5 章 納米流體熱導(dǎo)率的改進(jìn)模型 98
5.1 粒子尺寸的影響 98
5.2 布朗運(yùn)動的影響 99
5.3 改進(jìn)模型的驗(yàn)證 101
5.4 本章小結(jié) 103
參考文獻(xiàn) 104
第 6 章 流體作用于粒子的熱泳相關(guān)力 106
6.1 作用在粒子上的熱泳升力 106
6.1.1 熱泳升力的存在和表達(dá) 106
6.1.2 熱泳升力的作用特征 109
6.2 顆粒在流體中受到的熱泳張力 110
6.2.1 熱泳張力的存在和表達(dá) 110
6.2.2 熱泳張力的作用 114
6.3 本章小結(jié) 115
參考文獻(xiàn) 115
編后記 117
彩圖
《博士后文庫：納米流體流動與相間作用》：
1.1.1納米流體繞流的分析
納米微粒是指尺寸介于1～100nm的金屬或聚合物的小顆粒，它們表現(xiàn)出多種獨(dú)特的熱、光、電、磁等性質(zhì)。納米流體指納米尺度粒子的膠體懸浮液，在航空航天、能源動力、機(jī)械電子、生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域都具有潛在的應(yīng)用前景。在新一代高效傳熱冷卻技術(shù)的研究等很多領(lǐng)域都涉及納米流體介質(zhì)的流動問題。很多研究表明納米流體在流動過程中呈現(xiàn)很多特殊現(xiàn)象，如流體中粒子團(tuán)聚、無規(guī)行走、表面吸附等都有待開展更深入的研究。研究納米流體流動和傳熱的復(fù)雜過程以及粒子遷移、團(tuán)聚等的運(yùn)動學(xué)特征和動力學(xué)機(jī)理，對新的強(qiáng)化傳熱技術(shù)的開發(fā)等都具有非常重要的作用。
目前納米流體的添加物主要有金屬和非金屬納米粒子、碳納米管以及納米液滴�；褐饕捎盟⒁叶�、油等常用的傳熱流體。高熱導(dǎo)率的金屬納米顆粒的加入增加了懸浮液混合物的熱導(dǎo)率，從而可以提高其整體的傳熱性能。大量的實(shí)驗(yàn)研究表明，在流體中添加納米粒子，由納米流體替代傳統(tǒng)的冷卻劑具有一定的發(fā)展前途。Lee等研究了納米流體的熱導(dǎo)率特征，并分析了已提出的各種模型與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)之間的差異。Wang等總結(jié)了以前的研究中納米流體熱傳導(dǎo)的主要潛在機(jī)制，給出了他們的實(shí)驗(yàn)數(shù)掘，并認(rèn)為導(dǎo)熱系數(shù)提高的關(guān)鍵因素在于納米團(tuán)聚。Mahian等研究了太陽能工程中納米流體的應(yīng)用，并討論了納米流體對太陽能設(shè)備性能的影響。
國內(nèi)外相繼出版了幾部關(guān)于納米流體的專著。宣益民和李強(qiáng)系統(tǒng)地總結(jié)了國內(nèi)外一些研究小組在納米流體及其應(yīng)用基礎(chǔ)方面的研究工作，詳細(xì)介紹了納米流體流動與能量質(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)動效應(yīng)對納米流體能量質(zhì)量傳遞過程的作用機(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。關(guān)于納米粒子懸浮液的研究近期有一些綜述性的文獻(xiàn)，如關(guān)于熱物理性質(zhì)，穩(wěn)定性特征，導(dǎo)熱的模型以及在太陽能工程中的應(yīng)用。Wang和Mujumdar總結(jié)了關(guān)于各種納米流體的傳熱性能的理論和數(shù)值研究，綜合比較了不同研究者給出的導(dǎo)熱系數(shù)、粘性系數(shù)和努塞爾數(shù)的函數(shù)關(guān)聯(lián)式。Saidura等對納米流體在不同系統(tǒng)中的具體應(yīng)用做了系統(tǒng)的介紹，如發(fā)動機(jī)冷卻系統(tǒng)、太陽能熱水器、電子器件冷卻、核反應(yīng)堆系統(tǒng)和航天器熱控制系統(tǒng)等，同時(shí)，還指出了應(yīng)用中所遇到的一些困難，比如懸浮粒子的穩(wěn)定性、粒子團(tuán)聚、粘性增加、壓降變大等都限制了納米流體在實(shí)際中的應(yīng)用。納米材料奇異的物理性質(zhì)決定了納米流體與微米和毫米級粒子懸浮液的不同，經(jīng)典的傳熱學(xué)理論不再適用于納米流體。對此，很多研究者進(jìn)行了大量的研究，重點(diǎn)集中在納米流體熱物性方面的描述。大量實(shí)驗(yàn)研究表明，納米結(jié)構(gòu)可以很好地增強(qiáng)納米流體的熱輸運(yùn)。然而如Kleinstreuer等指出的，關(guān)于導(dǎo)熱系數(shù)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)缺乏一致性，需要考慮不只有一種可能的機(jī)制，而是結(jié)合幾種機(jī)制解釋比較實(shí)驗(yàn)結(jié)果。Wang等從粒子團(tuán)聚和布朗運(yùn)動引起的微對流解釋了納米流體的導(dǎo)熱機(jī)制，發(fā)現(xiàn)熱導(dǎo)率隨粒子尺寸的增加而減小，而與顆粒體積分?jǐn)?shù)基本呈線性增長的關(guān)系。李強(qiáng)和胡衛(wèi)峰等認(rèn)為添加固體顆粒會引起基礎(chǔ)流體結(jié)構(gòu)的改變，從而增強(qiáng)懸浮液內(nèi)的熱量輸運(yùn)過程，使得熱導(dǎo)率增加。粒子在納米流體中作布朗運(yùn)動的過程中，伴隨著其所攜帶的熱量遷移，這部分由粒子引起的能量轉(zhuǎn)移很大程度上提高了納米流體內(nèi)的能量輸運(yùn)性能。楚廣等采用自懸浮定向流法制備銅納米微粒，分析了該定向流法制備顆粒的微觀結(jié)構(gòu)和性能，主要針對納米銅微晶的粒度、結(jié)構(gòu)和形貌進(jìn)行了研究。彭小飛等測量了納米顆粒懸浮液的熱物性，考察了納米流體有效熱導(dǎo)率的理論模型，分析了粒子尺寸、體積分?jǐn)?shù)、流體溫度以及表面活性劑等因素對熱導(dǎo)率的影響。吳信宇等研究了梯形硅基芯片微通道內(nèi)納米流體的對流與傳熱特性，發(fā)現(xiàn)當(dāng)流體平均溫度升高時(shí)納米流體的強(qiáng)化傳熱效果有所增強(qiáng)，并且根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)獲得了對流傳熱關(guān)聯(lián)式。正如許多研究者指出的，納米流體強(qiáng)化傳熱的確切機(jī)制還不是完全明晰。未來需要研究的重點(diǎn)之一在于找出影響納米流體物性特征的主要參數(shù)。比如納米流體熱導(dǎo)率可以是一些參數(shù)的函數(shù)關(guān)聯(lián)式，包括顆粒形狀、顆粒團(tuán)聚、顆粒分散度等。
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