纳米流体是近几十年来逐渐发展起来的新型功能流体,研究纳米流体的热物特性和微观机理,对于解决微系统的散热和流动问题具有重要意义。纳米颗粒的尺度已经接近原子或分子直径的尺度,分子动力学模拟是研究纳米尺度问题的主要方法。本课题以水基纳米流体为主要研究对象,重点分析和研究纳米流体的导热强化微观机理和流动特性。获得结论如下:本文采用分子动力学软件Materials Studio进行相关模拟工作,首先编写Perl脚本程序计算纯基础液体水的导热系数,并将模拟计算结果与实验结果进行对比,用于验证模型和计算方法的可靠性和准确性。然后构建不同类型的纳米流体模型,研究纳米流体导热强化的微观作用机理。模拟分析发现,随着纳米颗粒体积浓度的增大,纳米颗粒间的聚集和相互作用变得更强,纳米流体的导热系数显著增加;盒子形状和球形的纳米颗粒更容易发生相互碰撞,强化了纳米流体的导热系数;纳米颗粒属性也是影响纳米流体导热系数的主要变量之一,导热系数较大的材料具有高势能的原子比例要更高,从而使纳米流体的导热系数明显增加;随着系统温度的升高,纳米流体内部粒子间碰撞的强度和频率变大,导致纳米流体的导热系数不断增大。模拟结果表明,基础液体微观结构的改变以及纳米颗粒的微运动行为,都共同影响着纳米流体内部的能量传递过程,是纳米流体导热强化的主要微观机理。纳米流体的粘度系数与剪切速度、系统温度、纳米颗粒体积浓度以及粒子形状密切相关。在限制性剪切流动过程中,纳米颗粒的随机运动行为和平板的剪切作用共同影响着纳米流体的流动特性。纳米颗粒在流动过程中发生了碰撞、聚集和分离过程,在纳米颗粒表面存在一层较薄的液体吸附层。纳米颗粒除了在主流X方向具有随机运动行为,在Y和Z方向也具有随机运动行为。纳米颗粒在剪切流动过程中的运动行为具体有上下摆动、左右移动以及旋转运动等,影响纳米颗粒随机运动行为的主要原因是小尺度效应。剪切流动对纳米颗粒的平移速度造成一定的影响,在主流X方向的平移速度分量略大于Y和Z方向,但是仍处于相同的数量级范围内。纳米颗粒的碰撞、聚集和分离行为,使纳米流体的原子密度呈现不均匀分布,有利于加强纳米流体的传质过程。静电场作用使纳米流体的微观结构发生明显改变,纳米流体中基液水分子的结构趋于完美,具有类似“冰”的结构。随着电场强度的增加,纳米流体的分子内能减小,纳米流体中水分子的扩散系数急剧减小。纳米流体在X、Y方向的导热系数基本相同,小于施加了电场的Z方向纳米流体的导热系数。纳米流体的导热系数在电场作用下呈现各向异性特征,且随着电场强度(0-3.5V/?)的增加,导热系数的各向异性特征变得更加明显。静电场的添加改变了纳米流体的微观结构,改变了纳米颗粒和基液水分子间的相互作用和运动行为。这种微观构造和粒子行为的改变,在一定程度上增强了纳米流体内部的热量传输过程和转换速率,强化了纳米流体的导热系数。