铜-水纳米流体流动与对流换热特性

建立了测量纳米流体流动与传热性能的实验系统, 测量了不同粒子体积份额的Cu-水纳米流体在层流与湍流状态下的管内对流换热系数和摩擦阻力系数, 详细讨论了Reynolds数和纳米粒子体积份额对纳米流体对流换热系数和摩擦阻力系数的影响. 实验结果显示, 在液体中添加纳米粒子显著增大了液体的管内对流换热系数, 而纳米流体的阻力系数并未增大. 例如, 在水中添加2.0%体积份额的Cu纳米粒子, 相同Reynolds数条件下, 纳米流体的对流换热系数比水增大了约60%. 综合考虑影响纳米流体对流换热的多种因素, 提出了计算纳米流体对流换热系数的关联式, 通过比较关联式的计算结果与实验数据, 表明关联式正确地描述了纳米流体对流换热过程, 可以用来计算纳米流体的对流换热系数.     

银纳米流体横掠微针肋热沉流动和传热特性分析

采用单步化学湿法（超声膜扩散法）制备出了3种体积分数的水基银纳米流体，实验研究了纳米流体横掠新型水滴形微针肋热沉的流动和传热特性．结果表明：不同体积分数下的纳米流体压降差别很小；相同体积流量下，与基液比较，纳米流体进出口压降略有增加，但增加并不明显；与纯水相比，由于表面活性剂的引入增加了流体粘度，相同流量下，纳米流体的压降稍大于纯水值，但最大差距不超过10％．粒子的体积份额对纳米流体对流换热系数影响较大．纳米粒子的存在对换热性能有明显提高，但过高的黏度对纳米流体的强化传热效果有一定的抑制作用．与去离子水相比，当银粒子体积分数达到0．012％后，纳米流体的综合效果才能逐渐体现．     

等离激元纳米流体的光热特性研究

实验研究了利用金属纳米粒子的表面等离激元共振(LSPR)效应增强太阳能光热转换的可行性.采用光化学浸渍方法制备了一种TiO2/Ag复合结构纳米粒子.将这些纳米粒子分散于水中,超声振荡形成TiO2/Ag纳米流体,对其光热转换性能开展实验研究,分析纳米流体的浓度对光热转换性能的影响.结果表明:与不添加纳米粒子的纯水相比,等离激元粒子组成的纳米流体的光热转换性能大大提高.     

原位法制备无机纳米粒子/聚合物复合材料

纳米粒子的尺寸介于体相材料和分子之间, 具有许多独特的物理和化学性质, 近年来在催化、光电子以及生物等领域得到广泛的关注. 为了使纳米粒子更好的展现它们特有的功能, 将其与聚合物复合是行之有效的方法, 这不仅可以稳定纳米粒子, 还可以实现纳米粒子与聚合物之间功能的集成. 但是, 这一思想的实现在很大程度上依赖于纳米粒子与聚合物之间的相容性, 以及如何调节纳米粒子与聚合物之间的相互作用, 使我们得到预期的功能. 因此, 人们发展了许多将纳米粒子复合到聚合物中的方法. 本文主要阐述了近几年我们课题组把原位法和其他方法有机结合, 实现纳米粒子与聚合物的复合, 从而制备了具有不同功能的一维、二维乃至体相纳米粒子/聚合物复合材料. 我们所建立的这些方法最突出的特点是纳米粒子与聚合物之间具有很好的相容性, 可以确保其在聚合物中的均匀分散, 而且聚合物网络结构的存在使纳米粒子更加稳定, 对于更好的体现其功能具有重要意义.     

磁性流体中纳米Fe3O4粒子包覆结构的研究

通过湿化学共沉淀法制备了高质量纳米Fe₃O₄磁性流体, 利用透射电子显微镜(TEM)和高分辨电子显微镜(HREM)对其结构进行了表征. 结果表明, 纳米磁性粒子粒径在8 ~ 10 nm, 最小4 nm, 属于超顺磁性范围. 纳米磁性微粒结晶完整, 晶界清晰, 表面活性剂对磁性微粒包覆良好, 在磁性微粒表面形成了均匀完整的球状无定形外壳. 研究表明, 表面活性剂包覆层对磁性微粒具有保护作用和稳定作用, 可提高和保持磁性流体的磁性能.     

相转移法制备γ’-Fe_4N纳米粒子的合成过程及生长机制

采用化学气相法合成了Fe/N多相纳米粒子,揭示了合成参数对产物性质的影响,确定了最佳的合成工艺路线.对生成的粒子进行第2次氮化,实现了纳米粒子的相转移,获得了均匀单相的γ-Fe4N纳米粒子.分析了粒子的成核与生长机制,对相转移过程给出了合理解释.此外,初步表征了相转变前后纳米粒子的形貌、粒径、物相、成分及磁学特性.     

高定向石墨表面一维金纳米粒子链

利用真空沉积方法在高定向石墨(HOPG)基底上直接制备了粒径分布较小的金纳米粒子.超高真空扫描隧道显微镜(STM)研究发现,在74℃退火后,金纳米粒子在HOPG基底上形成了排列均匀的准一维纳米粒子链.与以往研究不同之处在于,金纳米粒子链并非沿基底台阶排列.其中一些金纳米粒子能够穿越基底表面的单原子台阶;另外金纳米粒子链的取向决定于金纳米粒子的尺寸.这一发现为制备由金粒子组成的有序纳米结构开辟了探索途径.     

高定向石墨表面一维金纳米粒子链

利用真空沉积方法在高定向石墨(HOPG)基底上直接制备了粒径分布较小的金纳米粒子. 超高真空扫描隧道显微镜(STM)研究发现，在74℃退火后，金纳米粒子在HOPG基底上形成了排列均匀的准一维纳米粒子链. 与以往研究不同之处在于，金纳米粒子链并非沿基底台阶排列. 其中一些金纳米粒子能够穿越基底表面的单原子台阶；另外金纳米粒子链的取向决定于金纳米粒子的尺寸. 这一发现为制备由金粒子组成的有序纳米结构开辟了探索途径.     

相转移法制备γ'-Fe4N纳米粒子的合成过程及生长机制

采用化学气相法合成了Fe/N多相纳米粒子, 揭示了合成参数对产物性质的影响，确定了最佳的合成工艺路线. 对生成的粒子进行第2次氮化，实现了纳米粒子的相转移，获得了均匀单相的γ'-Fe₄N纳米粒子. 分析了粒子的成核与生长机制，对相转移过程给出了合理解释. 此外，初步表征了相转变前后纳米粒子的形貌、粒径、物相、成分及磁学特性.     

基于预测-矫正技术的超临界流体强迫对流传热能力预测方法

拟临界区剧烈变物性导致超临界流体强迫对流传热特性规律复杂.已有超临界流体传热关联式的预测能力和应用范围难以同时改善.借鉴亚临界两(多)相流分流型预测传热能力的思路,本文尝试提出了基于预测-矫正技术的超临界流体传热能力预测方法.该方法的基础包括可合理表征浮升力效应和流动加速效应强度的无量纲数Bu和Ac,以及一套完善的超临界流体对流传热关联.通过超临界二氧化碳强迫对流传热实验研究,获得了传热数据库(3696组数据),建立了一套(10个)超临界二氧化碳强迫对流传热关联式,并对新建立的传热关联式和新提出的预测-矫正预测方法进行了评价.结果表明预测-矫正计算方法可大幅提高加热段壁面温度预测精度,并有效纠正单一传热关联式预测时出现的粗大偏差.     

纳米粒子接枝双峰聚合物链的模拟研究

向聚合物基底中添加纳米粒子可用来制备聚合物纳米复合材料,而纳米粒子在基底中的分散性和稳定性问题是多年来制约其大规模应用的关键因素.采用聚合物配体链来修饰纳米粒子,是实现对纳米粒子稳定性调节的一种可行方案.在众多接枝聚合物链的纳米粒子中,双峰聚合物刷接枝的纳米粒子在聚合物基底中表现出超强的分散性和稳定性.本文采用分子动力学方法,模拟研究了双峰聚合物链接枝到纳米粒子表面的grafting-to反应过程.模拟研究表明,影响grafting-to反应过程的因素是多重的,包括双峰聚合物链中短链所占的比例、聚合物链的浓度等因素.研究表明,反应前期聚合物链长度影响很微弱,但反应后期长链的反应速率、接枝效率都会明显降低.此外,在低浓度体系中,接枝过程并不受聚合物链长度的影响,遵循"就近原则"接枝;但在高浓度体系中,纳米粒子明显表现出"选择性"地接枝短链的行为.该研究的结论对实现聚合物纳米复合材料性能的精细调控具有一定的指导意义.     

磁介导功能型纳米粒子在铁支架表面定向捕获CD34阳性细胞

构建内皮祖细胞捕获支架是目前心血管疾病治疗的一个研究热点.利用磁性纳米粒子捕获内皮祖细胞也越来越受到关注,但是单纯的磁性纳米粒子和磁场源地作用相对微弱,本研究引入铁支架作为另一磁响应源,共同作用来提高纳米粒子表面捕获率.首先利用CD34抗体构建了一种定向捕获CD34阳性细胞的功能型磁性纳米粒子,再利用外加磁场将其归巢到铁支架表面.FTIR和TEM结果表明CD34抗体已成功接枝到双羧基PEG包裹的Fe_3O_4纳米粒子上,体外细胞评价证实该纳米粒子不具有细胞毒性.体内动物实验结果表明该Fe_3O_4-PEG@CD34纳米粒子能够特异性识别捕获CD34阳性细胞,并且在外加磁场的作用下能够将其快速归巢到铁支架表面,这为实现支架表面快速内皮化提供了可能.     

基于纳米粒子的超声速流动成像

由于超声速流动受到可压缩性、激波、不稳定性以及湍流等因素的影响, 现有流动显示与成像技术在流场结构的高时空分辨率和高信噪比测量中存在一定的问题. 为此, 本文提出了基于纳米粒子的平面激光散射技术（NPLS）, 该技术以纳米粒子作为示踪粒子, 以脉冲平面激光作为光源, 通过CCD记录流场中的粒子图像实现超声速流动的高分辨率成像. 根据多相流体动力学理论和斜激波校准实验研究了纳米粒子在超声速流动中的跟随性问题. 根据光散射理论深入分析了影响纳米粒子散射光强的各种因素. 理论和实验研究结果表明, 纳米粒子的动力学行为和光散射特性大大提高了NPLS技术的时空分辨率和信噪比, 能够再现激波、膨胀波、马赫盘、边界层、滑移线和混合层共存的精细流场结构.     

电渗驱动纳米压印聚合物流变填充机理研究

电渗驱动纳米压印是一种新型的纳米压印工艺,它在大面积纳米压印、高深宽比微纳结构制造,尤其是在易碎衬底大面积图形化方面具有非常突出的潜能和优势.但是,电渗驱动纳米压印不同于现有的"压力驱动"纳米压印和"电毛细力驱动"纳米压印,已有的纳米压印聚合物流变填充基础理论和相关研究结果不再适用.本文开展了电渗驱动纳米压印聚合物流变填充机理、影响因素和规律的研究.基于微流体电渗驱动原理,建立了电渗驱动纳米压印驱动力体积力、填充速度以及填充时间的理论模型.利用COMSOL Multiphysics多物理场模拟软件,揭示了液态聚合物在模具型腔动态填充的过程,工艺参数、模具几何特征、聚合物材料特性等因素对于纳米压印流变填充的影响及其规律.本研究为电渗驱动纳米压印技术奠定了理论基础,并为电渗驱动纳米压印工艺优化和和压印装备开发与性能的改进提供了重要理论支撑和方向性指导.     

两流体换热器内粘性热对两流体（火积）的影响

以水和橄榄油为例研究了两流体换热器内只考虑传热引起的（火积）耗散的情况下,粘性热对换热过程中两流体（火积）的影响.结果表明,对于动力粘度较大的流体粘性热对两流体（火积）损耗的影响不能忽略.粘性热效应维持了流体的传热能力,使换热过程的（火积）的损耗幅度相对减小;粘性热效应增加了导热引起的熵产,使换热过程的可用能损失相对增加.对于动力粘度较大的流体,在换热面积固定的条件下当流体质量流率增加到一定程度时,粘性热效应对（火积）的贡献幅度甚至大于传热引起的（火积）的耗散幅度,从而使换热器内损耗的幅度随着质量流率的增加而减小.在其他条件相同的情况下,选择冷流体为较小热容流率的流体时传递单位热量下的传热（火积）损耗率和熵产率要小于选择热流体为较小热容流率的流体时传递单位热量的传热（火积）损耗率和熵产率.     

基于增强协同与减少耗散的对流传热强化理论研究

对流传热具有守恒、协同和耗散三大特性,揭示其内在联系与基本规律对发展对流传热强化理论意义重大.本文基于能量和动量传输的本构和守恒关系,全面审视对流传热的多场协同与不可逆耗散机制,分析流体传热、耗功及惯性协同角之间的相互关系,提出反映对流传热不可逆耗散的热效率和?效率,探索基于增强协同与减少耗散的对流传热强化理论.基于此,提出一种V型复合肋槽强化传热管并进行湍流换热计算模拟.研究发现:与光滑圆管相比,在管壁形成V型复合肋槽可减小强化管的传热和惯性平均协同角,热效率和?效率分别超过92%和34%,性能和效能评价系数分别为1.22～1.69和0.53～1.07.     

基于光诱导介电泳的微纳米生物粒子操纵平台关键技术

在分析介电泳的微纳米生物粒子操纵研究现状和存在问题基础上，研究了基于光诱导介电泳的微纳米生物粒子操纵的理论基础和建模仿真，给出了光诱导介电泳芯片在空间电场分布和不同高度介电泳力分布关系．在此基础上进行微操纵系统的核心部件——光电导层芯片的选材、制作工艺和性能分析测试，给出了悬浮液层分压和有效电压频谱关系图．最后，组合机器视觉检测与实时跟踪子系统，构建了基于光诱导介电泳的微纳米生物粒子操纵实验平台，完成了对微纳米生物粒子快速聚集、输运、分离等操纵实验，为建立以微流控芯片为基础的重大疾病的快速、准确、低成本的检测和早期诊断提供了基础．     

功能纳米材料-金属及其化合物纳米粒子功能化的胶体微球的合成

由于金属及其化合物纳米粒子具有独特的光学、电子、催化等性质，其成为了纳米材料领域研究的热点。但它们容易发生聚集、表面易被氧化等缺点也大大限制了其应用范围：而通过胶体粒子来稳定这些纳米粒子不仅可以大大提高金属及其化合物纳米粒子的分散性和稳定性，同时也可以利用胶体微球自组装的特性以及特殊的核壳结构来实现这些纳米粒子的规则排列和复合结构的构筑。本文介绍了国内外金属纳米粒子及其化合物功能化的胶体微球的制备的最新进展，并在最后就其发展作了展望。     

基于协同与耗散的能质传输理论

本文聚焦热力学流和力的本构关系,揭示能质守恒方程中热流、质流、功流和动量流的扩散机制,协同方程中热力学力的协同机制,以及平衡方程中热力学流的耗散机制.通过考察多物理场的相互作用,建立流体传热、传质、耗功以及动量传输之间的协同关系.通过分析传输过程的能质耗散,表征热、质、功和动能的传输损失和传递效率.最终提出宏观能质输运统一方程组,架构基于协同和耗散的能质传输理论体系.     

换热器优化中均分原则的适用性分析

在许多物理过程的优化设计中,其优化结果反映为某些物理量或者函数的均匀分布,即相应的均分原则.针对两股流和三股流换热器的优化分析,讨论了热力学力场均匀性原则、ΔT/T场均匀性原则和温差场均匀性原则三项均分原则的适用性.研究表明,当换热量给定时,前两项原则既不能给出最小的换热器熵产率,又不能给出最高的换热器效能;而当换热器实现最佳传热性能时,前两项原则得不到满足.对于温差场均匀性原则,不论冷热流体间的传热系数是否为常数,均可基于理论对其进行数学证明.当冷热流体温差场完全均匀时,换热器的耗散热阻达到最小值.可见,温差场均匀性原则可以给出换热器的最佳传热性能.进一步,本文给出了简单的案例,直观地验证了上述结论.理论与案例分析的结果进一步表明,热力学力场均匀性原则和ΔT/T场均匀性原则都是基于熵产的概念得到的,而熵产从做功能力损失的角度衡量不可逆性,导致这两项原则与传热优化的目的不一致,而且其推导过程中所采用的传热定律也不符合实际的传热过程;而用于证明温差场均匀性原则的(火积)耗散则从传热能力损失的角度衡量传热过程的不可逆性,其优化目标与传热优化目标则是一致的.这就是前两项原则不适用于换热器优化分析而温差场均匀性原则适用的根本原因.