非牛顿流体在日常的生产、生活中极为常见,但是,由于非牛顿流体的本构关系不像牛顿流体那样简单、单一,关于非牛顿流体的研究相对复杂、繁琐,因此,研究非牛顿流体的流动与传热具有重要的科学价值和潜在的应用前景。本论文重点研究两大问题:第一,非牛顿黏弹性流体在多孔介质内的流动与传热特性。研究目的在于发现不同加热边界条件下黏弹性流体对流启动的临界条件以及对流启动后黏弹性流体流动模态的演化规律;第二,非牛顿幂律纳米流体在微管中的流动与传热特性。研究目的在于深入讨论纳米流体的剪切稀化特性对其在微管中的流动和传热效率的影响。基于此,本文的具体研究分为以下三部分:　　1.黏弹性流体在方腔多孔介质内自然对流的稳定性分析　　本部分研究利用线性稳定性分析方法,得到了在牛顿加热(第三类热边界条件)边界条件下黏弹性流体在方腔多孔介质内发生振荡对流的临界Rayleigh数,并分析了黏弹性参数、方腔几何尺寸及热边界条件对于振荡对流发生的影响。本研究引入了Biot数用于刻画牛顿加热边界条件,通过改变Biot数的取值,可以使牛顿加热边界条件分别转化为第一类边界条件、第二类边界条件和第三类边界条件。研究结果表明,黏弹性流体在方腔多孔介质内发生振荡对流的临界Rayleigh数随方腔长宽比的增加而振荡衰减,并且最终趋于一个常值。Biot数及延迟时间的增大都具有抑制振荡对流发生的作用。相反,松弛时间的增大能够促进振荡对流的发生。对于对流发生时的最优模态的计算结果表明,最优模态的选取与松弛时间无关。此外,Biot数、方腔长宽比以及黏弹性参数的取值也会影响多孔介质内温度的分布。　　2.黏弹性流体在开口方腔多孔介质内自然对流的数值模拟　　黏弹性流体在多孔介质内发生对流后,随着底部加热强度的增大,流体的对流模态会不断演化并出现分叉现象。本部分研究通过使用有限差分方法数值模拟了黏弹性流体在上端开口的方腔多孔介质内自然对流的演化规律。首先使用线性稳定性分析方法,确定对流发生的临界点并作为数值模拟的起算点,然后针对不同的黏弹性参数值,计算了黏弹性流体平均Nusselt数随Rayleigh数的变化,最后绘制了多孔介质内对流模态随Rayleigh数的演化过程。研究结果表明,松弛时间的增大会使黏弹性流体更易失稳,从而增大流动模态的复杂程度并能将流动分叉的发生提前。而增大延迟时间带来的效果正好相反。多孔介质内的传热效率随松弛时间与延迟时间比值的增大而提高,当该比值足够大时,较强的黏弹性作用使得靠近方腔上端的流线与壁面平行,开口效应减弱。此外,本研究还给出了平均Nusselt数随Rayleigh数变化的标度律。　　3.非牛顿纳米流体在微管中的流动与传热　　前两部分的研究结果显示,非牛顿特性能够提高流体在多孔介质内自然对流的传热效率。这一部分结合纳米流体的实例,重点分析了其非牛顿特性对纳米流体在微管内传热效率的影响。实验研究发现在水中加入某些特定纳米颗粒(如Al2O3,CuO等)后纳米流体会呈现出剪切稀化的非牛顿特性。本部分研究利用幂律模型描述Al2O3-水纳米流体的剪切稀化特性,考虑壁面滑移边界条件,数值分析了非牛顿纳米流体在微管中的流动和传热过程。研究结果发现,当非牛顿效应存在时,纳米颗粒浓度对流量的影响依赖于压力梯度,这一点与牛顿流体情况截然不同。当压力梯度较小时,颗粒浓度的增加能够阻碍流动;当压力梯度足够大时,颗粒浓度的增加反而促进流动。此外,滑移长度的增加总能增大纳米流体在微管中的流量。当管壁受到等温加热时,纳米流体对流换热效率随纳米颗粒浓度的增加而提高,并且非牛顿效应能够进一步提高流体的传热率。管内对流换热强度也随滑移长度的增加而增大。将等温加热时充分发展段的传热效率与等热流条件下的结果对比发现,后者传热效率较高。　　本论文作者在攻读博士学位期问,前往美国佐治亚理工学院访问交流一年,在那里进行了有关使用软毛覆盖减小绕流阻力的实验研究。因与以上研究内容略有差异,但鉴于其重要性,故在本文附录中予以简要介绍。实验模型是使用橡胶软毛部分覆盖的圆盘,软毛在圆盘后部对称分布并且相互平行。实验中,将圆盘浸于垂直向下流动的肥皂水薄层中,并使用光学方法测量了不同软毛覆盖角度、覆盖密度和长度下圆盘的绕流阻力。测量结果表明,存在一组最佳的参数组合,该组合能够使圆盘受到的阻力减小17％。从圆盘绕流的流动显示可以发现,软毛对圆盘尾流区流动的阻碍以及软毛之间的相互作用对减小绕流阻力起到了至关重要的作用。该研究给出了一种无需能量摄入,并且可以在几乎不增加物体自重的条件下减小其绕流阻力的方法。