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随着科学技术的发展和能源问题的日益突出,传统热交换系统的传热负荷和传热强度逐渐增大,热交换设备的结构尺寸限制以及使用环境也日益苛刻,这就对强化传热技术提出了更高的要求。纳米流体就是在这种背景下应运而生,所谓纳米流体,即以一定的方式和比例在液体中添加纳米级金属或者金属氧化物粒子,形成的一类新型的换热工质。与传统的纯液体(如水、醇等)换热工质相比,纳米流体的突出优点体现在强化的传热速率、较大的导热系数以及较为稳定的悬浮状态。上述优点表明纳米流体是一种导热系数高、传热性能好的新型高效换热工质。因此深入研究纳米流体流动与能量传递的微观机理具有重要的科学价值和现实意义。随着计算机技术的快速发展,数值模拟作为一种基本的研究手段,有望在研究纳米流体流动和能量传递方面发挥重要作用。传统的数值方法在研究此类问题存在着边界处理复杂、并行效率低等缺点,而基于气体动理论发展起来的格子Boltzmann方法(LBM),由于其微观本质和介观特点,使得其在研究纳米流体强化传热机理方面具有极大的优势。目前,已有国内外学者利用LB方法在纳米流体强化传热方面开展了一系列工作,但仍有一些关键的基础问题尚未解决:一方面,纳米流体流动和传热是一类涉及流场、温度场以及浓度场的多场耦合问题,对算法的稳定性具有较高的要求,而目前用于纳米流体强化传热机理研究的LB方法大多局限于单松弛(SRT)或者Bhatnagar-Gross-Krook(BGK)模型,其稳定性亟需改进;另一方,纳米流体强化传热的微观机理尚不清晰,主要体现在非牛顿纳米流体、双扩散纳米流体、三维纳米流体以及两相纳米流体流动与传热等工作鲜有报导。因此,本文首先构建一类稳定性和准确度优于传统BGK模型的LB方法。在此基础上,对纳米流体强化传热机理开展详细的研究。论文的主要工作包括以下几个方面:(1)为了提高LB方法的数值稳定性,我们针对非线性对流扩散方程和不可压的Navier-Stokes方程,提出了相应的正则化LB模型。该模型通过在碰撞项中引入非平衡态的预前碰撞函数,进而提高了 LB算法的稳定性和准确度。特别地,利用上述模型,我们对方腔内的自然对流进行了模拟,结果表明,正则化格子LB模型能达到的最大Rayleigh数为1010。该模型的提出为后续研究纳米流体流动与传热问题提供了理论方法基础。(2)基于上述正则化LB模型,我们研究了矩形腔体内,非牛顿幂率纳米流体的双扩散自然对流问题,着重分析了 Rayleigh数、幂率指数、浮力率、纳米颗粒体积分数、Lewis数、腔体纵横比对纳米流体传质传热的影响。研究结果表明:传质传热速率随着Rayleigh数的增加而增加;而幂率指数的增加会减缓纳米流体在腔体内的流动,进而导致传质传热速率下降。同时,我们还发现传热速率会随着Lewis的增加而下降,直至稳定在某一特定值,而传质速率会随着Lewis数的增加而增加;此外,纳米颗粒体积分数的增加会导致传热增强,而传质速率下降;最后,纳米流体传质传热往往随着腔体纵横比的增加而增加直至达到某一个最大值,当超过该值时,传质传热速率会随着纵横比的增加而下降。(3)系统研究了矩形腔体内,磁场对非牛顿幂率纳米流体自然对流的传热影响。重点讨论了 Rayleigh数、幂率指数、Hartmann数、纳米颗粒体积分数、腔体纵横比对纳米流体传质传热的影响。研究结果表明,Hartmann数的增加会减缓纳米流体在腔体内的流动,进而降低其传热速率;其次,Hartmann数的增加会削弱幂率指数对纳米流体传热的影响,特别的,在Hartmann数很大的情况下,幂率指数对纳米流体传热速率的影响很弱;最后,我们还发现腔体纵横比对纳米流体传热速率的影响,在一定程度上不依赖于Hartmann数,特别是当Rayleigh数较大的时候。(4)针对三维方腔内的纳米流体自然对流问题,系统比较了两类边界(即恒温边界和恒通量边界)条件对纳米流体流动与传热的影响。研究结果表明:在相关物性参数相同的条件下,两类边界条件下的温度场分布差异很大,并且数值结果显示恒温边界的传热速率要大于恒通量边界条件;此外我们还发现对于相同的纳米颗粒体积分数,恒通量边界条件下,纳米流体的传热速率要低于恒温边界条件。(5)系统研究了三维腔体内纳米流体Rayleigh-Benard对流问题,重点分析纳米颗粒直径、温度差、壁面温度、不同纳米颗粒,纳米颗粒体积分数对纳米流体流动与能量传递的影响。研究结果表明纳米流体的传热速率随着纳米颗粒直径的减小而增加;此外,壁面温度和纳米颗粒体积分数的增加也会导致纳米流体传热增强;最后,我们还发现不同的纳米颗粒的传热强度在很大程度依赖于对应纳米颗粒的导热系数,同样物性参数下,导热系数越高,传热越强。(6)针对Buongiorno的两相纳米流体数学模型,建立了相应的LB模型,该模型融合了纳米颗粒布朗运动和热泳现象的影响。Chapman-Enskog分析显示当前模型能够准确恢复到宏观方程。并且,尽管演化方程中包含一些梯度项,但是它们都能够被局部计算,从而保持了 LBM的并行计算特征。随后,我们利用该模型,重点分析了布朗运动系数和热泳系数对纳米流体流动和传热的影响。研究结果表明:当布朗运动系数增大时,纳米流体的传热增强;而热泳系数的增加会导致纳米流体传热减弱。总之,本文发展了 LB方法在纳米流体强化传热方面的基本理论模型,并深入研究了非牛顿纳米流体、双扩散纳米流体、两相纳米流体的强化传热机理。本文的研究结果不但加深了对纳米流体强化传热机理的认识,而且也为推动LB方法在数值传热学方面的工程应用作出了诸多有益的尝试。