Mathematical modeling of accelerated thermal transport inside particulate liquids

颗粒液体内部加速热传输的数学模型

基本信息

  • 批准号:
    1805930
  • 负责人:
  • 金额:
    $ 36.91万
  • 依托单位:
  • 依托单位国家:
    美国
  • 项目类别:
    Standard Grant
  • 财政年份:
    2018
  • 资助国家:
    美国
  • 起止时间:
    2018-07-15 至 2023-06-30
  • 项目状态:
    已结题

项目摘要

Fluids laden with nano-particles have enhanced heat conduction properties, but this phenomenon is still lacking explanation. This enhancement is quite dramatic because introduction of very small amount of nano-particles can cause disproportionately high increase in heat conduction. Advantages of the accelerated conduction include quicker evaporation of a heated mass or faster combustion of fuel drops. This project investigates the mechanism underlying this remarkable phenomenon. If the underlying cause is identified, it can be exploited in creating better coolant and energetic materials, leading to improvements in devices like heat exchangers, gas turbines and internal combustion engines. Moreover, it will help in energy efficiency and pollution control in engines by ensuring fast and complete combustion of liquid fuels while eliminating wasteful and harmful presence of the fuel in the exhaust. The key reason behind the accelerated thermal transport can be attributed to the Brownian motion of the suspended nano-species. Randomly moving submicron solids act like tiny stirrers inside the liquid manifesting an analogous effect of a stirring spoon helping to cool down a hot cup of beverage. Unfortunately, past studies have failed to properly quantify this Brownian contribution by consistently underpredicting its influence. In the present project, this deficiency would be addressed by a new statistical mechanics description based on fluctuating hydrodynamics and heat transfer. Consequently, the enhanced thermal flux can be accurately estimated from the micro-scale convection by the liquid bulk due to the stochastic motion of the particles. This would be coupled with a few other potentially significant factors like creation of localized hot spots, thermophoretic drift and natural convection. Thus, the study will reveal how the interplay among these processes combined affects the energy transfer in nanofluids.This award reflects NSF's statutory mission and has been deemed worthy of support through evaluation using the Foundation's intellectual merit and broader impacts review criteria.
纳米颗粒负载的流体具有增强的热传导性能,但这一现象仍缺乏解释。这种增强是非常显著的,因为引入非常少量的纳米颗粒会导致不成比例的高热传导增加。加速传导的优点包括加热的物质蒸发得更快或燃料滴燃烧得更快。该项目调查了这一显著现象背后的机制。如果找出了根本原因,就可以利用它来制造更好的冷却剂和高能材料,从而改进热交换器、燃气轮机和内燃机等设备。此外,通过确保液体燃料的快速和完全燃烧,同时消除废气中燃料的浪费和有害存在,它将有助于提高发动机的能源效率和污染控制。热输运加速背后的关键原因可归因于悬浮纳米物种的布朗运动。随机移动的亚微米固体就像液体中的小搅拌器一样,表现出类似于搅拌勺帮助冷却一杯热饮料的效果。不幸的是,过去的研究一直低估了布朗的影响,未能正确地量化布朗的贡献。在本项目中,这一缺陷将通过基于波动流体力学和传热的新的统计力学描述来解决。因此,由于颗粒的随机运动,液体体积可以从微尺度对流中准确地估计增强的热通量。这将与其他一些潜在的重要因素相结合,如局部热点的产生、热泳漂移和自然对流。因此,该研究将揭示这些过程之间的相互作用如何影响纳米流体中的能量传递。该奖项反映了美国国家科学基金会的法定使命,并通过使用基金会的知识价值和更广泛的影响审查标准进行评估,被认为值得支持。

项目成果

期刊论文数量(3)
专著数量(0)
科研奖励数量(0)
会议论文数量(0)
专利数量(0)
Vector field solution for Brinkman equation in presence of disconnected spheres
存在不连续球体时 Brinkman 方程的矢量场解
  • DOI:
    10.1103/physrevfluids.5.104303
  • 发表时间:
    2020
  • 期刊:
  • 影响因子:
    2.7
  • 作者:
    Liu, Bo;Bhattacharya, S.
  • 通讯作者:
    Bhattacharya, S.
Two-body transient viscous interactions in free space
自由空间中的二体瞬态粘性相互作用
  • DOI:
    10.1103/physrevfluids.6.104305
  • 发表时间:
    2021
  • 期刊:
  • 影响因子:
    2.7
  • 作者:
    Liu, Bo;Bhattacharya, Sukalyan
  • 通讯作者:
    Bhattacharya, Sukalyan
Damped interfacial oscillation of a particle-embedded viscous drop
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  • DOI:
    10.1063/1.5092001
  • 发表时间:
    2019
  • 期刊:
  • 影响因子:
    4.6
  • 作者:
    Liu, Bo;Sumanasekara, Udugama R.;Bhattacharya, Sukalyan
  • 通讯作者:
    Bhattacharya, Sukalyan
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