纳米流体、悬浮液中的细微颗粒分选都属于颗粒流的范畴。微通道内颗粒流传质传热问题广泛存在制药、生物、食品、能源、化工等领域,已经成为近几年的研究热点。在能源方面,用传统的冷却工质的微通道热沉已经不能满足高强度的散热要求,需要发展用纳米流体冷却的微通道热沉。在药物筛选方面,微通道内细微颗粒的分选具有良好的应用前景。首先,综述了纳米流体导热机理、纳米流体在微通道热沉中的应用研究及研究方法,发现有关纳米流体强化传热的机理及影响因素还不够多,关于微通道内的流动、换热规律的研究还不够深入,还有待进一步探索和研究。此外,还对微通道内颗粒分选技术进行综述,发现针对粒径为0.5-5μm的细微颗粒,单一的分选技术不能达到要求,需要耦合热泳分选和惯性分选技术。其次,介绍微尺度流动的基本方程、边界条件、流动状态以及微尺度流场的影响因素,理解微尺度流场的理论知识;详细介绍了纳米流体、颗粒分选采用的两相流模型,并对整个数值模拟过程的方法和过程做了阐述。然后,在考虑了温度、粘度、浓度、布朗和热泳运动的相互作用后,建立了非均匀两相模型,以研究Al2O3-水纳米流体作为冷却剂在微通道热沉中流动换热情况。通过数值模拟,得到微通道热沉中纳米流体的流动换热的机理及规律,结果发现:在非均匀两相模型中,纳米流体在微通道热沉中的换热性能优于单相模型,并且当纳米流体粒径小于20nm时主要强化换热机制为布朗运动,而当粒径大于20nm时主要换热机制为热泳运动;雷诺数、纳米流体质量分数、粒径引起换热增强的机理可通过NBT解释,在此基础上,选择最佳的体积分数和粒径。此外,梯形凹槽结构能够破坏边界层,阻断热充分发展,增强换热。在微通道热沉结构方面,选择最优的纳米流体,对微通道热沉进出口位置及梯形凹槽的结构参数进行优化,发现L1/L2=0.75时梯形凹槽微通道热沉的换热效果最差,设计中应当避免。最优的梯形凹槽宽度比为W1/W2=1.4。最后,分析悬浮液中颗粒的受力状态,得到对颗粒分选影响作用较大的力。设计了两款分选器,分别为热泳分选器和热泳耦合分选器。数值模拟热泳分选器在不同的壁面温差、入口流速、入口流速比下颗粒的分离效率、运动轨迹、侧向位移等,发现小的入口流速、大的入口流速比、大的温差有利于颗粒分选。热泳耦合分选规律方面,虽然有收缩-扩张区域的存在,但并未实现颗粒捕捉,惯性力的作用极小。但是收缩-扩张区的存在能够改变温度梯度,并且随着收缩-扩张比Ha/Hb的减小,温度梯度逐渐增大,从而提高分选效果。此外,搭建MicroPIV系统实验平台,对热泳耦合分选器进行实验研究,以此验证热泳耦合分选器数值模拟规律的正确性。