纳米流体动态湿润特性研究

纳米流体由于其特殊的流动和换热特性，被广泛应用在日常生活和工业生产中，例如强化换热、镀膜、喷墨打印、流动减阻以及药物输运等，但对这些过程有重要影响的纳米流体动态湿润特性尚不明晰。由于缺乏纳米尺度的实验技术和相应的理论描述，同时由于发生在纳米尺度（10-9 m）的颗粒运动对宏观尺度动态湿润规律（10-3 m）的跨尺度影响机理尚未明晰，使得纳米流体动态湿润的研究具有很大的挑战性。本项目以纳米流体动态湿润过程为研究对象，实验揭示纳米流体宏观动态湿润的基本规律和影响因素；采用多尺度数值方法探析纳米颗粒的微观运动对动态湿润过程的影响，提出了动态湿润过程纳米颗粒的“局部耗散”和“体相耗散”效应。分别从流体力学理论和分子运动学理论出发，针对纳米流体等非牛顿幂指流体体系建立了动态湿润理论模型。通过宏观实验、理论建模、多尺度模拟和复杂条件的控制，阐释纳米流体动态湿润过程的微观机理及调控方法。研究内容包括：.采用液滴铺展法和Wilhelmy吊片法对纳米流体在固体表面上的动态接触角-接触线移动速度的变化规律及液滴铺展规律进行了精确测量，开展了纳米颗粒种类、粒径、质量分数、基液种类及固体壁面种类等参数对纳米流体动态湿润影响的实验研究。通过实验方法，得到了一批纳米流体表面张力和流变性数据，为后续数值模拟和理论分析提供数据支持。采用分子动力学模拟方法，研究了含有非表面活性剂纳米颗粒的水基纳米液滴的动态湿润过程，从微观层面给出纳米颗粒对纳米流体表面张力、粘度和流变性这三个湿润控制参数的改变机制，提出了颗粒湿润性、吸附微液层和固化结构等微观机理解释。通过揭示纳米颗粒在液滴体相内的输运、分布和自组装行为研究了颗粒行为对动态湿润过程的影响。并且采用介观格子-Boltzmann方法（LBM）模拟了纳米流体在固体壁面上动态湿润行为，考虑了微观层面纳米颗粒的体相耗散引起的表面张力、流变性的改变以及纳米颗粒的局部耗散引起的结构分离压对宏观层面动态湿润过程的影响。在以上研究基础上，采用分子动力学模拟方法进一步研究了纳米流体在加热、相变和纳米尺度的复杂条件下的动态湿润过程，考虑了液滴初始温度、固体表面温度和湿润性的影响。探索通过外场调控纳米流体动态湿润行为的方法和机理。最后，分别从流体力学理论和分子运动学理论出发，针对纳米流体等非牛顿幂指流体及含表面活性剂体系建立了动态湿润理论模型，并与实验数据进行了比较分析。