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《我国科学技能大学》 2017年
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纳米流体动态潮湿行为自动调控的力学机理研讨

李英琪  
【摘要】:纳米流体(Nanofluid)是指将纳米颗粒、纳米线、碳纳米管等纳米结构均匀涣散在水、油、醇等基质液体中得到的新式介质。因为优秀的导热性、导电性、活动性、冲突减阻性质,纳米流体在热传导、动力、化工、药物输运等范畴的重要使用得到了广泛研讨。经过调理纳米颗粒特点,能够完成纳米流体性质的自动调控,这使得纳米流体成为一种"智能流体(smart fluid)",并敏捷成为热力学、物理、化学、资料科学等范畴的研讨热门。近些年来,跟着纳米技能的敏捷开展,纳米流体潮湿特性在微流控、纳机电体系、微纳器材规划制备、DNA拼装以及油水驱替等范畴的重要性日益凸显。纳米流体动态潮湿是固液界面潮湿范畴的重要分支。因为纳米颗粒这种具有很大比外表积资料的参加及其与液体分子、固体壁面的相互作用,纳米流体将比基质液体具有更多共同的潮湿性质。纳米颗粒将改动纳米流体黏度、流变学特性、外表张力等潮湿相关的微观物理特性,导致液滴在固体壁面上的黏性分散机制、平衡触摸角、蒸腾形式等发作改动。一起,纳米颗粒在液滴内部的分散运动、在触摸线处的集合、钉扎、在前驱膜中的摆放,会导致别离压、触摸线处外表张力、液滴部分黏度、触摸线区域冲突力等的改动和相互竞赛联系。因而,纳米颗粒对纳米流体微观性质和微观特性的影响,都是纳米流体潮湿特性研讨的要点内容。尤其是纳米颗粒对触摸线移动形式的调控,将直接影响纳米流体液滴的蒸腾形式和纳米颗粒的堆积结构。在微观标准下,表界面效应凸显。外表张力、范德华力、静电力,以及黏性力、别离压等将成为纳米流体动态潮湿进程中的主导要素,从分子层面上来研讨纳米流体的潮湿特性和自动调控机制,是十分必要的。本文针对纳标准下纳米流体动态潮湿、触摸线移动机制、纳米颗粒多环堆积、杂乱壁面潮湿调控四个关键问题,进行了体系研讨。本文选用分子动力学办法研讨了纳米流体在固体壁面上的铺展和微观力学机制,剖析了纳米颗粒对纳米流体潮湿的抑制作用。根据液滴铺展半径随时刻改变的标度率剖析,论述了纳米颗粒性质导致液滴铺展机制发作改变的进程。提醒了添加纳米颗粒体积分数和增强纳米颗粒亲水性,液滴由别离压和外表张力主导的铺展机制,逐步变为黏性力主导的铺展机制。完成了纳米流体动态潮湿的自动调控,为了解纳米流体在固体壁面上的物理力学特性供给了根底。为了深入剖析纳米颗粒对纳米流体潮湿行为的影响,研讨了单个纳米颗粒调控纳米流体液滴触摸线在光滑壁面上的三种移动形式:无迟滞滑移(slip)、替换的钉扎与去钉扎(pinning-depinning,或替换的钉扎-滑移 stick-jump)和彻底钉扎(complete pinning)。论述了液滴违背平衡位置引起的剩下自在能克服钉扎能垒、驱动触摸线和触摸线处纳米颗粒发作移动的机制,并剖析了纳米颗粒在壁面上黏附、液滴在壁面上黏附所发生的两项钉扎能垒及其各自的影响要素。提出了剩下自在能在两项钉扎能垒之间的分配理论,用于剖析壁面潮湿性质对纳米颗粒受力机制和对触线移动形式影响。并结合自在能驱动机制和自在能分配机制给出了纳米颗粒调控三相触摸线钉扎与去钉扎的判别原则。在此根底上,研讨了纳米流体液滴在亲疏水距离散布条纹壁面上的蒸腾和纳米颗粒多环堆积。从触摸线初始钉扎机制、触摸线在stick-jump运动进程中受力演化机制两个方面论述了壁面潮湿特征尺度(即条纹宽度)和纳米颗粒与壁面的作用力对多环堆积形式的影响。论述了在潮湿特征尺度对触摸线驱动力、纳米颗粒对触摸线的迟滞力、亲水壁面临触摸线的迟滞力之间竞赛联系的影响,并给出了纳米颗粒在壁面上的自拼装结构和多环堆积的规划原则。纳米流体液滴铺展、移动触摸线调控和纳米颗粒堆积调控的研讨,从分子层面剖析了纳米颗粒调控纳米流体动态潮湿的机制。在此根底上,为进一步剖析纳米流体在杂乱壁面上潮湿行为的自动控制,选用分子动力学办法结合Surface Evolver液面演化模仿,研讨了锥形壁面上液滴从壁面顶级朝向壁面底端自发定向输运的调控机制。剖析了曲率比(液滴地点处部分壁面曲率半径和液滴曲率半径的比值)引起的三个运动阶段,以及驱动力、触摸角滞后力等的改变进程,并论述了液滴超越临界曲率比发生阻滞的现象。完成了经过壁面曲率梯度自动控制液滴的自发运动与阻滞,为纳米流体在杂乱壁面或通道内潮湿、活动行为的自动调控开辟了思路。
【学位颁发单位】:我国科学技能大学
【学位等级】:博士
【学位颁发年份】:2017
【分类号】:TB383.1

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