納米流體中生物對流問題及若干傳熱傳質(zhì)問題的研究.pdf

1、邊界層流動在科學(xué)和工程領(lǐng)域占有很重要的地位，邊界層這一概念的提出被認(rèn)為是流體力學(xué)上的一個里程碑。邊界層理論主要用來計(jì)算當(dāng)物體在流體中運(yùn)動時(shí)所受的表面摩擦阻力。例如用來計(jì)算平行平板在流體中所受到的阻力，輪船或機(jī)翼所受到的阻力等。與邊界層相關(guān)的一些其他應(yīng)用還有化工、冶金、玻璃和聚合物工業(yè),陶瓷機(jī)器零件的潤滑、金屬擠壓等。
　　另一方面，納米流體作為一種新型流體有著潛在的應(yīng)用前景，因而納米流體被許多科學(xué)家和研究者廣泛研究。從理論和實(shí)驗(yàn)上

2、已經(jīng)證明，流體中添加納米顆?？纱蟠笤黾恿黧w的導(dǎo)熱系數(shù)。但是在流體中將納米顆粒和微生物相結(jié)合來提高傳熱傳質(zhì)的這種想法還是非常獨(dú)特的。生物對流有著提高質(zhì)量運(yùn)輸和誘導(dǎo)混合的潛力，特別是在微觀體積方面，并且生物對流還可以提高納米流體的穩(wěn)定性。因此，納米流體和生物對流的結(jié)合對新型微流體設(shè)備的開發(fā)有著很大的吸引力。為了設(shè)計(jì)這樣的設(shè)備，我們必須了解納米流體中生物對流的基本原理。伴有生物對流的納米流體可以按非線性微分方程進(jìn)行分類來研究其物理機(jī)制。我們采

3、用同倫分析方法來求解這一系列的非線性微分方程。因此，目前研究工作的主要目的是用公式明確表達(dá)并分析在伴有生物對流的納米流體中出現(xiàn)的一些新問題。
　　首先，本文研究了在重力驅(qū)動下的層流薄膜流動對流受熱表面的傳熱問題。進(jìn)一步，考慮了輔助浮力和逆浮升力對薄膜流動和傳熱的影響。應(yīng)用同倫分析方法求解以上問題，并得到了高精度的顯式解。
　　其次，本文分析了由于射流擴(kuò)散在加熱平板表面的層流納米流體流動和傳熱。我們將引入均質(zhì)模型來建立納米流體

4、的邊界層方程模型。根據(jù)射流的速度分布形式和與平板下表面熱流體相關(guān)的傳熱系數(shù)，分別假設(shè)它們與平板前沿的距離的平方根和四分之三次方根成不同的反比例關(guān)系，邊界層方程的相似解將被得到。進(jìn)而給出速度分布和溫度分布，包括努塞爾特?cái)?shù)，表面摩擦系數(shù)和邊界層厚度等一些重要物理量的高精度的顯示解析近似解。
　　第三，本文對在重力驅(qū)動下混合了生物對流的納米流體沿對流加熱墻壁流動的問題進(jìn)行研究分析，該流體中既含有納米顆粒又含有趨旋微生物。我們引入主動和被

5、動控制模型來簡化生物對流問題。此外，得到了局部表面摩擦、局部努塞爾特?cái)?shù)、局部壁面質(zhì)量通量，以及局部壁面活性微生物通量與一些物理參數(shù)的高精度的近似表達(dá)式，并分別進(jìn)行了研究討論。
　　第四，本文研究了含有納米顆粒和趨旋微生物的流體在各向異性運(yùn)動平板上的三維駐點(diǎn)流動。利用相似變換，流體模型轉(zhuǎn)化為一組耦合的七個非線性常微分方程以及相應(yīng)的邊界條件。此外，還對流動和傳熱問題進(jìn)行了詳細(xì)的回歸分析。并且討論了不同物理參數(shù)對速度、溫度、納米顆粒體積

6、分?jǐn)?shù)以及活性微生物濃度的影響。
　　最后，本文分析了含有納米顆粒和趨旋微生物的流體在兩平行平板間的非定常擠壓流動。特別的，這里我們考慮用被動控制納米流體模型來闡述問題，并且認(rèn)為流體在兩平行平板之間，其中一個平板運(yùn)動，另一個平板固定。水平通道中時(shí)變的混合納米生物對流問題的這個研究也是首次。利用相似變換，非線性偏微分控制方程組轉(zhuǎn)化為非線性常微分方程組，然后利用BVPh2.0來求解該問題。我們分析了問題的幾個方面，并以圖形的方式對相關(guān)的