中文摘要：

纳米流体液滴在固体加热表面蒸发中的浸润和三相接触线的迁移问题是当前强化传热研究领域的前沿性课题，该过程中存在布朗运动、无规扩散、纳米颗粒与液体间的微对流、纳米颗粒与加热固体表面间的相互作用等复杂运动与作用力，对该问题的研究对认识纳米颗粒在纳米流体换热中的作用、对认识复杂体系中的热量传递物理机制有重大意义。本项目通过对纳米流体液滴在固体表面蒸发过程中气液固三相接触线形态变化的观察，考察纳米颗粒浓度和尺寸对纳米流体液滴蒸发换热的影响，探索纳米颗粒在纳米流体换热中的作用机理。基于布朗力、纳米颗粒与基液分子间作用力、纳米颗粒与固体表面分子间作用力的分析，发展双组分体系内存在相变的流动和换热模型，透过其中的自由界面效应和两组分物质存在相对滑移时的流动换热耦合问题，从动力学角度揭示纳米流体换热中的物理机制，以期深化纳米流体强化换热学科领域的基础研究。

结论摘要：

纳米流体作为具有很大潜能的传热工质受到学术界的巨大关注，有报道预计，纳米流体作为一种新型传热工质将广泛应用于车辆、航天航空、船舶、电子等领域，满足大功率发动机、绝热发动机、空调装置、热泵系统、超导磁体、大功率电子设备、超级计算机等设备的高负荷传热及冷却要求。纳米流体中纳米颗粒相对高的表面积——体积比值，决定了其同毫米和微米级的颗粒悬浮液相比，粒子的沉淀性降低、系统稳定性更高，同时由于粒径很小，因颗粒而产生的堵塞和压降上升等问题也大为减缓。然而，也正是由于这种超细颗粒的存在，使得纳米流体内部的相互作用更为复杂，同时，作为换热工质同固体表面接触并换热时，气液固三相接触线的变化规律也更为复杂，探索该变化规律对于揭示纳米流体强化换热机理有重要意义。 本项目首先利用格子Boltzmann方法对液滴撞击平壁、斜壁和弯曲表面的动力学变形行为进行了模拟，从方法上实现了对复杂变形相变界面的准确捕捉。计算结果与实测结果有良好的一致性，结果表明，格子Boltzmann方法可以有效表征液滴变形的细微特征，可用于纳米流体的换热的模拟。 其次，采用该方法对方腔内纳米流体的自然对流进行了模拟，得到了体积分数、不同浮升力参数下纳米流体的速度场与温度场的分布，总结了纳米流体换热强度随各参数的变化情况，分析了纳米流体中纳米粒子体积分数及浮升力对强化换热的影响。 同时，搭建实验台实验观测了纳米流体液滴和纯乙醇液滴在加热光滑表面蒸发时三相接触线的迁移过程，解决了光源、清晰度、细微动态过程捕捉等测量问题和图形有效处理问题，实验结果表明，纳米流体的后退阶段仅占液滴存在时间的10-20%，而纯乙醇的后退阶段占其液滴存在时间的50-60%，即纳米流体液滴在液滴存在时间的80-90%时间内保持销联状态，也就是说，在液滴存在的大部分时间内，蒸发速率是恒定的，而对于纯乙醇液滴，蒸发速率在液滴存在时间的约一半之前就开始下降。所以总的来说纳米流体液滴的蒸发速率较高。 在前期模拟的基础上，对纳米流体液滴在固体加热表面的受热蒸发进行了模拟，结果表明纳米流体液滴的蒸发过程经历了销联、蒸发、解销、回缩和纳米颗粒环形沉积等阶段。同时与实验结果进行比较，分析总结其中的规律，并进行理论描述，对纳米颗粒在纳米流体蒸发过程中的作用机理和纳米流体的强化传热机理进行了探讨和阐释。