纳米流场中纳米颗粒动态行为的激光散斑监测(3)
2.2 纳米流体的导热机理及其影响因素
对于纳米流体来说，由于粒子的纳米尺度，作用在粒子上的微作用力如范德瓦耳斯力、静电力和布朗力等都不可忽略，这些微作用力与粒子尺寸、形状。表面特性、粒子和液体的化学性质及温度等密切相关[9]，纳米粒子的微作用力及由此产生的运动引起粒子间的碰撞与粒子和液体间的微对流现象，强化了纳米流体的能量传递能力。
研究认为影响纳米流体的导热系数的主要因素有四种[10]：
（1）非限域传递的影响。当纳米颗粒的尺度接近或小于晶体材料的声子平均自由程时，边界起了重要作用，晶格振动波受纳米颗粒界面的强烈散射，使传统的傅立叶定律不被满足，热流的传递是跳跃式和非限域的，应采用Boltzmann方程来描述传热导。
（2）颗粒聚集的影响。纳米颗粒间的范德瓦尔斯力是长程吸引力，静电力是排斥力，所以在悬浮液中存在颗粒间距很小但彼此分散且稳定的纳米颗粒富集区域。在这些区域内，如果纳米颗粒间距小到1nm以下，两个颗粒表面附着的液膜层接触甚至部分重叠，这样两个纳米颗粒相当于直接接触，出现热短路，极大地降低了热阻，增大了悬浮液的有效导热系数。
（3）液膜层的影响。纳米流体中，在固液界面上由于表面吸附作用会形成一层厚度为几个分子距离的液膜层，液膜层内液体分子受纳米颗粒表面分子排列的影响，趋向固相，其导热系数远大于液体本身，这相当于固相的体积含量增加了。
（4）布朗运动的影响。当颗粒尺度较小时，布朗运动就不可忽略。布朗运动增大了粒子与粒子之间的碰撞频率，引起颗粒聚集，同时纳米流体的导热系数是由固-液两相的有效扩散和颗粒迁移共同作用的结果。
在这里我们重点讨论布朗运动对导热系数的影响。
[11]当液体或气体中存在着悬浮的微粒时，微粒不断地受到周围流体分子的碰撞，由于粒子很小，任一瞬间各个方向受到的碰撞不大可能平衡，从而引起微粒作无规则的运动，这种运动就是布朗运动。当温度升高时，流体分子运动加剧，布朗运动也更加剧烈。固体颗粒分散入液体后，颗粒在液体分子不停的无规则运动的撞击下，产生布朗运动，当颗粒尺度较大时，布朗运动速度很小，可以忽略不计，颗粒在悬浮液内可近似认为处于静止状态，固相对悬浮液导热系数的影响可以按纯粹传导来计算。然而，纳米颗粒尺度小，在液体内的布朗运动速度较大，引起的微对流将影响悬浮液内的热量传递，所以纳米流体悬浮液的有效导热系数是传和颗粒迁移共同作用的结果。液体传导和颗粒迁移发生的热量传递的相对大小可以用二者传输的时间尺度来比拟。假设颗粒的粒径为d，液体的热扩散系数为 ，则热量传导一个粒径距离的时间 可表示为
（2.1）
而布朗运动速度为u的颗粒迁移一个粒径距离的时间 为
（2.2）
二者传输的时间尺度相比，即
（2.3）
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