Powder Technology|基于分子动力学探究热流方向线性团聚对纳米流体导热系数的影响

研究背景

随着科学技术的不断发展，提高传热性能和节能已成为许多学者研究的重要课题。纳米流体由悬浮在基液（油、水、乙醇等）中的纳米颗粒组成，由于其优异的热物理性质，广泛应用于光伏系统、研磨、热管和其他传热领域。导热系数是纳米流体的一个关键热物理参数，与纯基液相比，该参数应得到显著改善。然而，传统的理论模型，如麦克斯韦模型和汉密尔顿和克罗斯（HC）模型，无法解释纳米流体的高热导率现象。因此，大量研究人员开发了许多适用于纳米流体的传热模型，包括界面层模型、纳米颗粒的布朗运动和微对流、纳米颗粒聚集以及上述三种模型的组合。但是，迄今为止，只有少数研究探讨了团聚体内的热传递。有研究表明，具有线性团聚的纳米流体在实验中表现出最高的导热性。因此，使用线性团聚体作为研究对象可以最大限度地观察纳米流体的导热系数的变化。在这种情况下，昆明理工大学翟玉玲课题组采用MD模拟来研究线性团聚状态对导热系数的影响，特别是线性团聚状态下倾斜角和排列方式所引起的热流方向变化。

相关成果以“A molecular dynamic simulation of the influence of linear aggregations on heat flux direction on the thermal conductivity of nanofluids”为题发表在国际知名期刊《Powder Technology》上。

研究内容

在这项工作中，研究人员为了揭示纳米流体导热性的异常增强，采用分子动力学模拟来研究团聚体夹角和纳米颗粒尺寸排列对Cu/Ar纳米流体导热系数的影响。夹角θ范围为0°至90°, 并且使用11Å和8.48Å、10.5Å和9.45Å的Cu纳米颗粒的r1和r2的组合来设计六种类型的尺寸排列。θ从90°至0°,导热系数随着实际热通量距离的增加从0.165提高到0.184 W⋅m-1⋅K-1。此外，两侧较大的Cu纳米颗粒吸引了更多的Ar原子以形成更致密的界面层，从而形成了一个紧凑的热通量通道以传递更多的热量。结果表明，导热系数随线性团聚体夹角的增大而减小。其原因是实际热流距离的减小导致铜纳米颗粒的导热通道缩短，直接降低了纳米流体的导热系数。在线性聚集态和类型1(即θ= 0°，类型1，r1 = 10.5 Å和r2 = 9.45 Å)观察到最大的导热系数值。粒径较大的铜纳米颗粒可以在两侧形成更致密的界面层，以传递更多的热流。此外，通过调整倾斜角度和纳米颗粒的大小排列，在相同的体积分数下可以获得不同的纳米流体的导热系数。因此，这些结果可以指导工业和实验室制备高导热系数纳米流体。

研究数据

图1. 使用NEMD方法的Cu/Ar纳米流体模拟箱的示意图。

图2. 线性团聚体的纳米颗粒尺寸排列（θ=0◦)定体积分数为2.79 %。

图3. 85K下纯Ar系统中（a）温度分布和（b）动能和势能的变化。

图4. Cu/Ar纳米流体系统的（a）势能和（b）温度的变化。

图5. 85K时所有纳米流体团聚状态下的氩原子的MSD变化。

图6. 线性Cu/Ar纳米流体团聚体的导热系数随倾斜角的变化。

图7. 纳米流体（r1=10.5Å和r2=9.45Å）内不同纳米颗粒尺寸排列（类型1至6）的温度分布。

图8. 界面层中传热通道的示意图。

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S003259102200+**9330?via%3Dihub#!

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