摘要：本论文采取分子动力学的策略对纳米流体的传递现象进行了探讨。纳米流体是由在传统的传热工质中融入特点尺寸在1-50nm的纳米颗粒形成的一种悬浮液。与传统的悬浮液相比，在纳米颗粒浓度很低的情况下纳米流体也具有很高的导热系数，这一特点引起了人们极大的兴趣。尽管在过去的十年间，对纳米流体导热机理的探讨得到了很大的进展，但是人们并没有得到一致的结论。本论文运用分子动力学的策略对纳米流体导热系数大幅增加的理由进行了探讨。首先进行探讨的是液态氩在86K温度下的导热系数，以此来验证模型和算法的正确性。接下来对运用不同的势能模型来描述铜原子间的相互作用进行了讨论。在对纳米流体的模拟中，首先是对模拟区域内只有着有一个纳米颗粒的情况做了分子动力学模拟，同时运用了周期性边界条件，这样的模型描述的是纳米颗粒均匀分布在液体中的情况，这将纳米颗粒的聚集效应完全排除在外。在这部分探讨中，对纳米颗粒的体积分数以及纳米颗粒的直径对纳米流体导热系数的影响进行了讨论，浅析了纳米颗粒附近有着的具有规则结构的液体薄层对导热系数的影响。接下来，本论文对模拟系统中有着有多个纳米颗粒的情况进行了分子动力学模拟，这使得对纳米颗粒间发生碰撞和聚集的模拟成为了可能，以此来探讨纳米颗粒间的碰撞和聚集对纳米流体导热系数及剪切粘度的影响。最后，本论文还对具有一定运用背景的纳米流体的非平衡传热现象进行了探讨，对描述非平衡传热现象的两温度模型中的耦合系数进行了计算并对影响耦合系数的因素做出了讨论。本论文获得了如下探讨结果：在分子动力学模拟的历程中，运用Green-Kubo策略计算液态氩和纳米流体的导热系数时需要多次独立重复计算来平均得到最后的结果。当这些独立重复计算的次数足够多时，它们的标准差对最后平均的结果几乎没有影响。探讨发现，用L-J势能模型来描述铜原子间的相互作用时，热流自相关函数会呈现出周期性振荡，这种振荡是由瞬时的微观热流的振荡引起的。模拟的结果还表明在本论文的空间和时间的尺度上运用EAM势能模型来描述铜原子间相互作用的时候，并不像文献提及的那样耗时。在运用EAM势能模型对具有相同纳米颗粒直径不同纳米颗粒体积分数的纳米流体的导热系数探讨时发现，纳米流体的导热系数几乎是纳米颗粒体积分数的线性函数，并且模拟结果与描述均匀分布溶液的传统的有效介质论述的预测结果相比略微偏大。模拟中发现，纳米颗粒表面有着有一层0.6nm的液体薄膜。我们认为，这个薄膜的有着是造成MD模拟的结果与传统的有效介质论述预测的结果有着微小偏差的理由。由Green-Kubo策略计算出的纳米流体的导热系数和剪切粘度的结果表明，纳米颗粒的聚集会大幅提升纳米流体的导热系数，但是剪切粘度的增加并不显著。结果还表明，不同纳米颗粒的聚集构型下纳米流体导热系数及剪切粘度的增加幅度是不同的。模拟系统中有着有多个纳米颗粒时，在3.2ns的模拟时间内并没有观测到纳米颗粒的聚集情况，纳米流体的导热系数和剪切粘度与模拟系统中只含有一个纳米颗粒情况下的值相同。在对纳米流体非平衡传热现象的探讨中发现，耦合系数随着纳米颗粒体积分数的增加呈线性增大的走势，随着纳米颗粒直径的增大呈线性减小的走势，在90K-110K的温度范围内，温度对耦合系数几乎没有影响。在纳米颗粒的聚集对耦合系数影响的探讨中发现，发生纳米颗粒聚集时，耦合系数会减小。本论文工作得到了国家自然科学基金（No.51076105，No.50876067）、国家自然科学基金海外及港澳学者合作探讨基金（No.50828601）、上海教委科研革新重点项目（No.10ZZ91）和上海市重点学科建设项目（No. J50501）资助。关键词：分子动力学模拟论文纳米流体论文EAM势能模型论文Green-Kubo策略论文导热系数论文剪切粘度论文聚集现象论文耦合系数论文
摘要5-7
ABSTRACT7-11
第一章 绪论11-20
§1.1 课题背景11-12
§1.2 课题相关探讨近况12-16
§1.3 分子动力学的运用16-18
§1.4 本论文的探讨内容18-20
第二章 分子动力学策略20-38
§2.1 与统计力学有关的重要概念20-25
§2.1.1 相空间20-21
§2.1.2 系综21-23
§2.1.3 时间平均23-25
§2.2 分子动力学模拟基础25-31
§2.2.1 势能模型26-28
§2.2.2 运动方程28-30
§2.2.3 周期性边界条件30-31
§2.3 分子动力学模拟历程31-38
§2.3.1 初始设定32-34
§2.3.2 平衡历程34-35
§2.3.3 生成和浅析相空间中状态点的轨迹35-38
第三章 模拟系统中含有单个纳米颗粒的纳米流体导热系数的分子动力学模拟38-48
§3.1 模型建立及初始设定38-39
§3.2 液态氩导热系数的计算39-41
§3.3 EAM 势能模型与 L-J 势能模型比较41-43
§3.4 纳米颗粒体积分数对纳米流体导热系数的影响43-44
§3.5 规则液体薄层对纳米流体导热系数的影响44-46
§3.6 纳米颗粒直径对纳米流体导热系数的影响46-47
§3.7 结论47-48
第四章 模拟系统中含有多个纳米颗粒的纳米流体传递现象的分子动力学模拟48-58
§4.1 剪切粘度的计算48-49
§4.2 NEMD 策略计算传递系数与 EMD 策略比较49-52
§4.3 模拟系统中有着多个纳米颗粒对模拟结果的影响52-53
§4.4 纳米颗粒聚集对纳米流体导热性质的影响53-57
§4.5 结论57-58
第五章 纳米流体非平衡传热现象的分子动力学模拟58-66
§5.1 非平衡传热现象中耦合系数的定义58
§5.2 运用物理定义式策略的耦合系数计算58-61
§5.3 运用曲线拟合策略的耦合系数计算61-65
§5.4 结论65-66
第六章 结论66-67
主要符号表67-69
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