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磁流体流动与传热特性的三维 研究背景 国内外研究进展 论文提出 研究方案的确定 汇报的主要内容 1、研究背景 磁流体是一种具有重要应用前景的新型液体功能材料 ， 它兼有固体磁性材料的磁性与液体材料的流动性 。 像磁流体这样的小尺寸粒子与载液两相共存的复杂流体难以用传统的两相流方法模拟 ，格子 可以通过建立适当的模型 ， 从介观角度揭示 、 理解和模拟磁流体这种复杂流体的行为 。 在二维问题上格子 但是二维模型在实际应用中有其局限性 ， 因此非常有必要通过建立三维模型来解决实际问题 。 主菜单 2、国内外研究进展 流体的发展与现状 在基础理论研究方面， 出了铁磁流体的有关流体动力学方程和热力学方程，为磁流体的发展奠定了坚实的基础。 拉脱维亚大学的 论了铁磁流体的传热传质方面的重要性，强调了铁磁流体在强化换热方面的重要性。 南加州大学的 北京工业大学的马重芳教授对小尺寸传热面磁性流体的自然对流换热在高强度磁场作用下的行为特征进行了研究。 天津大学的李修伦教授对水平薄层磁性流体在垂直梯度作用下的自然对流换热也展开了相应的实验研究工作。 2、国内外研究进展 (续一 ) 格子 成功运用于流体热力学、多相流、多孔介质流动、磁流体动力学等领域。 美国 家 实 验 室 的 及其他各国的学者运用格子 国内 ， 清华大学 、 西安交通大学 、 华中理工大学 、 广西师范大学和武汉大学等单位已成功地运用格子 对一些复杂的流动与传热问题进行研究 ， 取得了令人瞩目的成果 。 2、国内外研究进展 (续二 ) 子 2、国内外研究进展 (续三 ) 目前，应用比较多的有二维的七点、九点和十三点格子 得到了比较满意的结果。 但要想真正表现出现实中的三维世界就需要建立出正确的三维模型。三维格子模型最早被et Y 33 2、国内外研究进展 (续四 ) 用 法建立非亲水壁微通道内流体的流动 。 华中科技大学建立了一种三维十五点格子 采用速度为 2的粒子 ， 计算换热器中的管排绕流问题 ， 并与实验观察到的结果进行了定性的比较 ， 得到了较好的结果 。 2、国内外研究进展 (续五 ) 主菜单 近年来格子 多相流 、 多孔介质流动 、 磁流体动力学等领域 。 但用于描述磁流体流动 、 传热行为或流变特性的宏观模型还不够完善 ， 而利用格子 对磁流体进行数值模拟方面研究磁流体特性的工作更是少数 ， 尚处于初步探索阶段 。 本方法 格子 以流体的分子运动论为基础，根据微观运动过程的某些特征建立简化的，介于宏观和微观之间的，在时间和空间上完全离散的动力学模型。 3、论文提出 利用格子 算与演化过程简单，计算程序清晰，大致步骤如下： 1）建立格子 体内容包括：空间离散、时间离散、速度离散、演化方程。 2）运行演化方程，即让流体在离散网格上根据演化方程随时间步碰撞迁移。 3）根据粒子分布函数统计出宏观参数。 本方法 目前，格子 是，用二维模型来模拟实际的三维问题还存在着某些不足和缺陷。在现实世界中真正表现出来的是一个三维的世界，而二维的模型只是针对现实世界的一个简化，因此如何建立一个真正的三维格子 本方法 常用的三维格子 33对于三维问题，还有其它一些速度模型，比如 及 些模型 虽然 对称性更好，结构也更为复杂。因此在用格子 可以 采用十五点正方体(型。 维格子 维格子 离散速度： 0 , 0 , 0 , 1 ,1 , 0 , 0 c , 0 , 1 , 0 c , 0 , 0 , 1 c , 2 7 ,1 , 1 , 1 , 8 1 5 , 1( , ) ( , ) ( ( , ) ( , ) ) , 1 - 1 5 , = 1 , 2t f t f t f t F x e x x 维格子 平衡分布函数： 222 4 23 9 ( ) 31 = 1 - 1 522c c e u e u 0 2 / 9 , 1 ,1 / 9 , 2 7 ,1 / 7 2 , 8 1 5 , 维格子 1 5 1 5111 5 1 511,11 u e 运动粘性系数： u u u 粒子受力会使第 种组元在平衡态下的动量发生变化，表示为： 2216 维格子 用 1) 击放大） 2)3) 维格子 用 维格子 a) 速度矢量图（ 3D） b) 速度矢量图（ 主菜单 4、研究方案的确定 要工作 充分考虑纳米磁性粒子在载液中所受的各种内力与外力 ， 运用格子 模拟磁流体的形态结构 。 流体的磁化特性 磁流体中的磁性粒子尺寸很小，可以看作小的磁偶极子，通常其粒径小于单畴临界尺寸，其磁矩能自发磁化至饱和状态。无外加磁场时，磁性粒子在载液中作无规则热运动，其磁矩方向杂乱无章，整个磁流体对外不显示宏观磁性；施加外磁场时，粒子磁矩迅速沿外磁场方向取向，显示出一定的宏观磁化强度。一旦彻去外加磁场，则由于热运动的影响，磁性粒子磁矩的空间取向又重新恢复杂乱无章的状态，从而宏观磁性消失，几乎没有磁滞现象，这种特性即为磁流体的超顺磁性 。 磁流体磁化强度： 顺磁质的磁化规律可用朗之万函数来描述： 1 / ( )n m c t g M L 上式中： 0 / ( ) k Tn 为单位体积内的粒子数， m 为粒子磁矩， 磁性粒子间的相互作用包括 力的方式表达如下： 32 2 2 2 2(1 6 )3 ( ) (1 ) ( (1 ) 4 (1 ) )s 0 0 0403 ( ) 3 ( )4r m m m r ) ( m r ) ,/a as a 上式中： 力分析 力： 6D a 34a 成以下形式： a k 用 重力 布朗力 空腔流（两相，只考虑重力） 返回 空腔流（考虑布朗力） 局部放大图 三维流场图 空腔流（考虑布朗力） 汇报结束，谢谢各位老师！ 汇报结束，谢谢各位老师！ 加顶盖驱动的三维空腔流 回 加顶盖驱动的三维空腔流 回 加顶盖驱动的三维空腔流 回 加顶盖驱动的三维空腔流（流场） 返回 返回 加顶盖驱动的三维空腔流（流场） 返回 返回 返回 度分布切片 3 返回 返回 返回 x y z 加顶盖驱动的三维空腔流（密度分布，两相） 磁流体流动与传热特性的三维 研究背景 国内外研究进展 论文提出 研究方案的确定 汇报的主要内容 1、研究背景 磁流体是一种具有重要应用前景的新型液体功能材料 ， 它兼有固体磁性材料的磁性与液体材料的流动性 。 像磁流体这样的小尺寸粒子与载液两相共存的复杂流体难以用传统的两相流方法模拟 ，格子 可以通过建立适当的模型 ， 从介观角度揭示 、 理解和模拟磁流体这种复杂流体的行为 。 在二维问题上格子 但是二维模型在实际应用中有其局限性 ， 因此非常有必要通过建立三维模型来解决实际问题 。 主菜单 2、国内外研究进展 流体的发展与现状 在基础理论研究方面， 出了铁磁流体的有关流体动力学方程和热力学方程，为磁流体的发展奠定了坚实的基础。 美国拉脱维亚大学的 论了铁磁流体的传热传质方面的重要性，强调了铁磁流体在强化换热方面的重要性。 南加州大学的 北京工业大学的马重芳教授对小尺寸传热面磁性流体的自然对流换热在高强度磁场作用下的行为特征进行了研究。 天津大学的李修伦教授对水平薄层磁性流体在垂直梯度作用下的自然对流换热也展开了相应的实验研究工作。 2、国内外研究进展 (续一 ) 格子 成功运用于流体热力学、多相流、多孔介质流动、磁流体动力学等领域。 美国 及其他各国的学者运用格子 国内 ， 清华大学 、 西安交通大学 、 华中理工大学 、 广西师范大学和武汉大学等单位已成功地运用格子 对一些复杂的流动与传热问题进行研究 ， 取得了令人瞩目的成果 。 2、国内外研究进展 (续二 ) 子 2、国内外研究进展 (续三 ) 目前，应用比较多的有二维的七点、九点和十三点格子 得到了比较满意的结果。 但要想真正表现出现实中的三维世界就需要建立出正确的三维模型。三维格子模型最早被et Y 33 2、国内外研究进展 (续四 ) 斥水壁微通道内流体的流动 。 华中科技大学建立了一种三维十五点格子 采用速度为 2的粒子 ， 计算换热器中的管排绕流问题 ， 并与实验观察到的结果进行了定性的比较 ， 得到了较好的结果 。 2、国内外研究进展 (续五 ) 主菜单 近年来格子 多相流 、 多孔介质流动 、 磁流体动力学等领域 。 但用于描述磁流体流动 、 传热行为或流变特性的宏观模型还不够完善 ， 而利用格子 对磁流体进行数值模拟方面研究磁流体特性的工作更是少数 ， 尚处于初步探索阶段 。 本方法 格子 以流体的分子运动论为基础，根据微观运动过程的某些特征建立简化的，介于宏观和微观之间的，在时间和空间上完全离散的动力学模型。 3、论文提出 利用格子 算与演化过程简单，计算程序清晰，大致步骤如下： 1）建立格子 体内容包括：空间离散、时间离散、速度离散、演化方程。 2）运行演化方程，即让流体在离散网格上根据演化方程随时间步碰撞迁移。 3）根据粒子分布函数统计出宏观参数。 本方法 目前，格子 是，用二维模型来模拟实际的三维问题还存在着某些不足和缺陷。在现实世界中真正表现出来的是一个三维的世界，而二维的模型只是针对现实世界的一个简化，因此如何建立一个真正的三维格子 本方法 常用的三维格子 3对于三维问题，还有其它一些速度模型，比如 及 些模型 虽然 对称性更好，结构也更为复杂。 因此在用格子 可以 采用十五点正方体(型。 维格子 维格子 离散速度： 0 , 0 , 0 , 1 ,1 , 0 , 0 c , 0 , 1 , 0 c , 0 , 0 , 1 c , 2 7 ,1 , 1 , 1 , 8 1 5 , 1( , ) ( , ) ( ( , ) ( , ) ) , 1 - 1 5 , = 1 , 21( , ) ( , ) ( ( , ) ( , ) ) , 1 - 1 5 , = 1 , 2t f t f t f t Fg t g t g t g t x e x x xx e x x 维格子 平衡分布函数： 222 4 23 9 ( ) 31 = 1 - 1 522c c e u e u 0 2 / 9 , 1 ,1 / 9 , 2 7 ,1 / 7 2 , 8 1 5 , 维格子 22222 4 2222 4 2, = 139 ( ) 31 = 2 - 79 229 ( ) 3 3 7 = 8 - 1 572 22c c c 其 中 , = 3 R T / 2ue u e u ue u e u 1 5111 5 1 511,( 3 / 2 ) g u e 维格子 输运系数： u u u 粒子受力会使第 种组元在平衡态下的动量发生变化，表示为： 22212164 维格子 主菜单 用 1) 击放大） 2)3) 维格子 用 维格子 a) 流场分布（ 3D） b) 流场分布（ 4、研究方案的确定 要工作 充分考虑纳米磁性粒子在载液中所受的各种内力与外力 ， 运用格子 模拟磁流体的形态结构 。 流体的磁化特性 磁流体中的磁性粒子尺寸很小，可以看作小的磁偶极子，通常其粒径小于单畴临界尺寸，其磁矩能自发磁化至饱和状态。无外加磁场时，磁性粒子在载液中作无规则热运动，其磁矩方向杂乱无章，整个磁流体对外不显示宏观磁性；施加外磁场时，粒子磁矩迅速沿外磁场方向取向，显示出一定的宏观磁化强度。一旦彻去外加磁场，则由于热运动的影响，磁性粒子磁矩的空间取向又重新恢复杂乱无章的状态，从而宏观磁性消失，几乎没有磁滞现象，这种特性即为磁流体的超顺磁性 。 磁流体磁化强度： 顺磁质的磁化规律可用朗之万函数来描述： 1 / ( )n m c t g M L 上式中： 0 / ( ) k Tn 为单位体积内的粒子数， m 为粒子磁矩， 磁性粒子间的相互作用包括 力的方式表达如下： 32 2 2 2 2(1 6 )3 ( ) (1 ) ( (1 ) 4 (1 ) )s 0 0 0403 ( ) 3 ( )4r m m m r ) ( m r )(2上式中： 力分析 力： 6D a 34a 成以下形式： a k 用 重力 布朗力 空腔流（两相，只考虑重力） 返回 布朗力作用下的空腔 局部放大图 三维流场图 布朗力作用下的空腔 汇报结束，谢谢各位老师！ 汇报结束，谢谢各位老师！ 加顶盖驱动的三维空腔流 回 加顶盖驱动的三维空腔流 回 加顶盖驱动的三维空腔流 回 加顶盖流的三维空腔流（流场） 返回 返回 加顶盖流的三维空腔流（流场） 返回 返回 返回 返回 返回 返回 vz 学位论文选题报告及文献综述考核表 2005 年 9 月 8 日填 选题的科学依据 （ 1、课题所属研究领域； 2、课题的理论意义和应用价值； 3、国内外研究概况及发展趋势） 1、课题所属研究领域 该课题属功能流体流动与传热特性研究领域，课题来源于国家自然科学基金重点项目“ 功能流体流动与传热特性及其控制方法研究 ” 2、课题的理论意义和应用价值 磁流体是由纳米级的铁磁性或超顺磁性细微颗粒，借助于表面活性剂稳定地分散于载液而形成的胶体悬浮液。它 兼有固体的强磁性和液体的流动性两种 特性， 是一种新型的液体功能材料 。 传统的两相流方法难以模拟像磁流体这样的小尺寸粒子与载液两相共存的复杂流体，而格子法则为解决此类问题提供了一种工具。格子 法是以流体的分子运动论为基础，根据微观运动过程的某些特征建立简化的，介于宏观和微观之间的，在时间和空间上完全离散的动力学模型，其计算具有并行性、高效性，并且可以较方便地处理粒子间的相互作用。因此，在理论上格子 以通过建立适当的模型，从介观角度揭示、理解和模拟磁流体 这种复杂流体的行为。 目前，应用比较多的有二维的七点、九点和十三点格子 型，并得到了比较满意的结果。但是，用二维模型来模拟实际的三维问题还存在着某些不足和缺陷。在现实世界中真正表现出来的是一个三维的世界，而前面所提到的二维模型只是针对现实世界的一个简化，因此如何建立一个真正的三维格子型对于我们解决在现实世界中的一些实际问题是非常重要的。 3、国内外研究概况及发展趋势 磁流体的研究首先由美国宇航局于 60 年代在阿波罗行动计划中用于宇航服的密封。 60 年代末，美国成立磁流体公 司专门从事纳米磁性流体的研究和开发。 70 年代起，国内外对磁流体的研究和应用开发十分活跃。世界许多国家相继开展了磁流体的基础和应用性研究。 80 年代中叶， 出了铁磁流体的有关流体动力学方程和热力学方程。随着科技的不断发展，磁流体的应用领域不断拓展。近年来，人们对磁流体在外磁场下所表现出的特殊性进行了广泛的探索和研究；同时，磁流体的制备技术的研究和磁流体在密封方面的应用研究也十分活跃。 近年来格子 法已成功地应用于流体热力学、多相流、多孔介质流动、磁流体动力学等领域。 但 用于描述磁流体流动、传热行为或流变特性的宏观模型还不够完善，而利用格子 法从介观尺度建立磁流体模型、 对磁流体进行数值模拟方面的 研究磁流体特性的工作更是少数 ，尚处于初步探索阶段。 目前，应用比较多的有二维的七点、九点和十三点格子 型，并得到了比较满意的结果。但二维模型只是针对现实世界的一个简化，因此通过建立三维模型来解决实际问题是非常重要的。三维格子模型最早被 et 流。 Y 通过建立 及 格子模型来处理空腔中气体自然对流的热流问题。 用 法建立 型来模拟三维亲水壁 /斥水壁微通道内流体的流动。 型模拟了方腔微通道和多孔介质中气体的流动。华中科技大学建立了一种三维十五点格子型，采用速度为 2 的粒子，计算换热器中的管排绕流问题，并与实验观察到的结果进行了定性的比较，得到了较好的结果。 二、研究内容和方法：（ 1、选题的学术思想、特色 和预期达到的成果和水平； 2、研究内容要解决的问题； 3、技术路线和技术措施；进度计划） 1、选题的学术思想、特色和预期达到的成果和水平； 磁流体兼有固体的强磁性和液体的流动性，使其具有 磁化特性、流变特性等性能，因而可通过特定的外磁场来控制磁流体的某些流动或传热性能。 并由于纳米级磁性粒子的小尺寸效应，磁流体在传热过程中有很好的强化传热作用。 课题的选取基于两相流动力学格子 法基本理论，通过建立相应的流动 模型 ，考虑磁流体中复杂的粒子间相互作用如：布朗运动、范德华引力、偶极作用等 ，来 描述磁流体复 杂的流动。而格子法计算的高效性、高度并行性等优点可以使其更好更深入地服务于对磁流体流动的模拟。 运用格子 法，考虑微观粒子间所受的相互作用以及与外加磁场间的对应关系，建立相应三维 流动模型。通过计算模拟在无外加磁场条件下宏观静止的磁流体结构，以及在各种外加磁场下磁流体结构及流动的宏观特性。 2、研究内容要解决的问题； 论文主要解决的两个问题 ：建立三维格子 型和磁流体中纳米磁性粒子的受力。 3、技术路线和技术措施；进度计划 粒子间 的主要相互作用包括：布朗作用、 互作用、偶极 间阻力等。粒子间相互作用的结果由各种作用势能的相对大小决定，占优势的作用的不同，磁流体表现出来的外在特性也不同。磁流体中的偶极 过偶极子磁矩随外磁场的变化关系的研究，可以得到在不同磁场下，磁流体中粒子之间的相互磁力作用以及粒子磁矩的转动。 关于两相流、纳米流体的流动模型已有一定的基础。将外磁场作用下粒子间偶极 得其能更好地模拟磁流体的行 为，其二维建模已有初步的研究。 现实世界中，真正表现出来的是一个三维的世界，而二维模型只是针对现实世界的一个简化，二维模型来模拟实际的三维问题还存在着某些不足和缺陷。 对这些模型进一步改进成三维模型来模拟磁流体的行为，是目前的主要任务。 2004 年 9 月 2004 年 10 月 查阅文献，初步理论推导 2004 年 11 月 2005 年 6 月 查阅文献，理论推导，建立模型，编制程序 2005 年 7 月 2006 年 1 月 完善模型，数值模拟 2006 年 2 月 2006 年 6 月 工作总结，整理资料，撰写毕业论文 三、开题条件 （ 1、学术条件； 2 设备条件； 3、经费概算和落实情况） 1、学术条件 格子 法作为新兴的数值计算方法，在国内外引起了广泛的关注，已成功地应用于流体热力学、多相流、多孔介质流动、磁流体动力学等领域。而随着对格子 法研究的不断深入，运用它解决纳米流体、磁流体等复杂流体问题也取得一些进展和成果。南京理工大学热能工程教研室在运用格子 法模拟纳米流体及磁流体二维流动与传热方面已有一定研究及成果，并能解决本课题研究过程中资料复印等费用。本课题来源于国家自然科学基金重点 项目“ 功能流体流动与传热特性及其控制方法研究 ” 2 设备条件 由八个基于 作系统（内核版本 无盘结点组成机群系统， P 1800+，内存： 256M，网卡： 10/100M 快速以太网卡 ,工作站间通讯： 100M 交换机。可以实现并行计算。 四、文献综述和开题报告 1. 研究背景 磁流体 是一种胶态悬浮液体。它是由纳米级（平均直径小于 10铁磁性或超顺磁性细微颗粒借助于表面活性剂稳定地分散于载液中而形成的 1 磁流体在外加磁场的作 用下能够被磁化到饱和状态，被磁化的磁流体呈现出超顺磁的磁化特性，粘度随外磁场变化而改变的流变特性，表现密度随外磁场改变的特性、及双折射的光学特性等等诸多与普通液体不同的性能 5 1965 年美国宇航局（ 把它应用到无重力状态下液体火箭燃料控制上 7。20 世纪 60 年代末，美国成立了磁流体公司，专门从事纳米磁性流体的研究和开发，随后世界许多国家相继开展了磁流体的基础和应用性研究，并将其应用领域很快推广到诸多领域 8。我国 70 年 代中期开始研制磁流体，并已用于密封、止推轴承等。近年来，随着科技的不断发展，磁流体的应用领域也不断拓展。 像磁流体这样的小尺寸粒子与载液两相共存的复杂流体难以用传统的两相流方法模拟，格子法则为解决此类问题提供了一种工具。格子 法是以流体的分子运动论为基础，根据微观运动过程的某些特征建立简化的，介于宏观和微观之间的，在时间和空间上完全离散的动力学模型，其计算具有并行性、高效性，并且可以较方便地处理粒子间的相互作用。因此，在理论上格子 为适用的方法，可以通过建立适当的模型，从介观角度揭示、理解和模拟磁流体这种复杂流体的行为。 目前二维格子 型应用得比较多，并得到了比较满意的结果。但是，用二维模型来模拟实际的三维问题还存在着某些不足和缺陷。在现实世界中真正表现出来的是一个三维的世界，而前面所提到的二维模型只是针对现实世界的一个简化，因此如何建立一个真正的三维格子 型对于解决在现实世界中的一些实际问题是非常重要的。 2. 论文提出 随着近年来纳米技术的兴起，在传热领域提出了纳米流体这一崭新的概念。纳米流 体是以一定的方式和比例在载液中添加纳米级金属或金属氧化物粒子，形成一类新的强化传热工质 9这种通过在液体中添加超细微粒子来强化传热效果的方法有它独特的优点：首先，液体中添加的纳米粒子比表面积远大于毫米或微米级粒子，可显著增大液体的导热系数；其次，纳米粒子由于小尺寸效应，在载液中会作不规则布朗运动，这种不规则运动破坏了层流底层，增强了流体内部热交换；再次，同样由于纳米粒子的小尺寸效应，其行为接近于液体分子，分散性、稳定性较好，在实际应用中不易产生磨损或堵塞。 磁流体可以认为就是一种特殊的纳米流体。在 传热性能与机理的众多方面，磁流体与上述纳米流体是完全一致的。因为磁流体同样是由载液、纳米粒子、表面活性剂（分散剂）组成的，只不过组成它的纳米粒子是具有磁性特征的铁磁性粒子。磁流体兼有液体和磁性材料的双重性质，即使在重力、离心力或强磁场的作用下也不会产生分离现象，是目前国内外尖端的纳米技术之一 11。磁流体在具有同纳米流体类似的流动传热等特性的同时，还有自身与众不同的其他一些特性和优点如：超顺磁的磁化特性、粘度随外加磁场的变化而改变的粘度持性、双折射的光学特性、温度与磁化相互影响的热磁特性、外磁场下磁性纳米 粒子的微观结构特性等。 磁流体具有比纳米流体更为复杂的行为特征。磁流体 粒子间的主要相互作用包括：布朗作用、 极 12相间阻力等。粒子间相互作用的结果由各种作用势能的相对大小决定，占优势的作用的不同，磁流体表现出来的外在特性也不同。 目前对它的研究尤其是基础理论和数值模拟还有待深入，突出体现在：一、外加磁场的强度、方向以及磁场的性质决定了纳米磁性颗粒运动及排列行为，对铁磁流体的热物性参数、流动与传热性能影响非常大，二、在外加磁场作用下，悬浮的纳米颗粒同 时受磁场力 21、静磁相互作用、 22、重力、布朗力和阻力等作用力，磁性纳米颗粒的无规行走、沉降和热扩散伴随着磁流体的主流流动，布朗扩散、沉淀、热扩散等现象可能共存于磁流体的主流中。 由于纳米粒子的小尺寸效应，基于分子运动论 发展起来的 的格子 简称 拟方法则为解决此类微尺度两相流动传热问题提供了先进的工具，可以用来研究磁流体流动状态下的流动与传热特性，在介观尺度上揭示磁流体在运动状态下的传热机理。运用格子 量传递过程的优势主要表现在：格子 虑磁流体中磁性纳米粒子的不连续分布和随机扩散，可方便地处理流动过程中磁性纳米粒子的碰撞、聚并、分离和能量传递等过程。 目前格子 得到了比较满意的结果。但二维模型只是针对现实世界的一个简化，要模拟并解决实际的三维问题，就必需建立一个三维格子 通过介观层次磁流体强化传热机理的研究，可以在介观层面上模拟磁流体的流动和传热过程，揭示磁流 体的流动传热特性，对于丰富热科学领域的研究内涵，研制新型高效传热工质，研究新一代强化传热技术，提高热交换设备的高效低阻紧凑等性能，满足高负荷传热与冷却要求，推动磁流体在车辆、航空、电子等领域的应用具有重要的理论意义和潜在的经济价值。 3 . 格子 法的研究现状 子 法介绍 格子 的微观粒子背景使得它具有许多其他数值方法所没有的独特优点。从物理角度看，格子 与边界之间、不同流体组分（或相态）之间、流体界面之间等等复杂的相互作用，且不需借助经验或半经验的模型，传统的数值方法则很难做到这一点。从计算角度看，格子 个时间步的计算量为 O（ 其计算效率要高于一般的数值方法。同时格子 序比较简洁；格子 有天然的并行性，非常适合在大规模并行计算机上运行 23 格子 胞自动机、分子运动论和统计物理的理论设计的全离散局部动力学模型，不需建立的求解复杂的偏微分方程。将复杂系统用简单模型的局部动力行为所表现，打破传统的连续的数学建模观念，为模拟复杂现象以及大规模并行提供了新途径，也为它的可视化提供了新的手段和方法。 利用格子 第一步：建立格子 体包括以下几个要素： 第二步：运行格子 让流体粒子在离散网格上，根据碰撞函数 随整时间步演化。 第三步：统计平均求出数值结果。 目前，格子 相流、多孔介质流动、化学反应扩散、渗流、粒子悬浮流、磁流体动力学等相关领域也得到了比较成功的应用 23。 与 其它数值计算方法 相比，格 子 (1) 与流体宏观描述中非线性对流项相对照，在以流体的分子运动论的描述为基础的格子 对于位相空间的对流过程是线性的。使用 (2) 格子 边界点外，所有内点的作用原则相同，其解法无需反复计算的特征使其可使用大规模并行计算； (3) 边界条件容易设定。 内外研究进展 目前 ,格子 法作为新兴的传热研究数值方法，在国内外引起了广泛的关注。至今不仅稳态单相强制对流等温流动领域已有许多成功的算例，而且还包括多相流 28、相界面及相变 29、多孔介质中的流动、自然对流换热等热交换现象、有自由表面的流动、流动的分歧、低 的流动、非稳态流动等。并已成功地应 用于流体动力学、磁流体、多相流、多孔介质流动等领域。 美国 家实验室的 及其他各国的学者运用格子 法进行了数值模拟，但和模拟单相流动的情况相同，该方法在高速情况下的应用会有一定的困难。 传热方面，美国家实验室的 功模拟了 流图案，南京理工大学热能工程实验室在两相格子 型的基础上充分考虑了固相粒子受力，对纳米流体及磁流体流动与传热特性进行了研究。 国内 ，清华大学、西安交通大学、华中理工大学 30广西师范大学 32和武汉大学等单位已成功地运用格子 法，对一些复杂的流动与传热问题进行了卓有成效的研究工作，取得了令人注目的成果。 目前，应用比较多的有二维的七点、九点和十三点格子 型，并得到了比较满意的结果。但二维模型只是针对现实世界的一个简化，因此通过建立三维模型来解决实际问题是非常重要的。三维格子模型最早被 et 流。 Y 通过 建立 及 格子模型来处理空腔中气体自然对流的热流问题。 用 法建立 型来模拟三维亲水壁 /斥水壁微通道内流体的流动。 建立三维 型模拟了方腔微通道和多孔介质中气体的流动。华中科技大学建立了一种三维十五点格子 型，采用速度为 2 的粒子，计算换热器中的管排绕流问题，并与实验观察到的结果进行了定性的比较，得到了较好的结果。 近年来格子 法已成功地应用于 流体热力学、多相流、多孔介质流动、磁流体动力学等领域。但 用于描述磁流体流动、传热行为或流变特性的宏观模型还不够完善，而利用格子 对磁流体进行数值模拟方面的 研究磁流体特性的工作更是少数 ，尚处于初步探索阶段。 国家自然科学基金委员会的力学发展战略报告中指出，研究多相流问题，格子 法可以对某些流动图案或机制做出定性的说明，而随着对格子 法研究的不断深入以及计算机技术和并行计算技术的飞速发展，运用格子 法对多相流问题 进行定量计算也将日渐成熟。总结起来，目前国内外研究工作者运用格子 法所做的工作主要包括： 1. 单相流：粘性流、空腔流、射流、圆柱绕流、管排绕流、障碍绕流尾流、卡门涡街等情况； 2. 两相流动，主要模拟气固两相流的表面张力、自由边界和质量扩散问题以及悬浮体问题； 3. 传热问题，包括模拟单相流体的传热以及建立在多相流动模型基础上的多相传热模型； 4. 磁流体动力学（ 型； 5. 化学反应和扩散问题。 子 法在磁流体方面的研究现状 用格子 法对磁流体进行数值模拟方面的研 究并不是很多，且尚处于初步探索阶段。 1994年，罗马尼亚的 运用格子 法建立了一个简单的磁流体模型，用类似于两相流模型中考虑两相分离时的情况，引入了磁偶极作用势，并用该模型模拟了磁流体的磁化特性。 2001 年，人又运用类似模型分析了均匀外磁场作用下磁流体液滴的变形、磁流体中气泡的变形以及垂直磁场下磁流体水平表面的不稳定性。同年，日本东京大学的 人由已有磁流体动力学格子 型 （ 得到启发 ，将磁流体看作具有矢量磁矩的单相极性液体，重新定义了新的微观速度、微观磁矩以及相应宏观量，推导出磁流体的 程以及磁化松弛方程，建立了用于研究磁流体流变特性的模型，该模型可考虑磁矩的转动以及受内部角动量影响的磁流体行为，然而该模型的缺点是碰撞迁移方程不够简便，平衡分布函数繁杂甚至难以满足与宏观量的统计对应关系，且宏观方程不明晰、特性参数表达式复杂。总而言之， 目前用于描述磁流体流动、传热行为或流变特性的宏观模型并不够完善，而利用格子 法从介观尺度建立磁流体模型、研究磁 流体特性的工作更是少数，有待发展。 4. 研究方案的确定 本课题要做的主要工作是运用格子 拟方法研究磁流体流动与能量传递过程，因此需要对磁流体基本特性和格子 拟方法有一定的认识。 首先，必须了解磁流体的基本概念和性质。磁流体是由纳米级（ 10右）的铁磁性或超顺磁性微细颗粒，借助于表面活性剂稳定的分散于载液中的胶体溶液。 磁流体具有磁体的磁性和液体的流动性。在热力学应用中，所利用的磁流体主要特性有 11：磁化特性，粘度特性，蒸发特性，温度特性 33，磁热效应，热磁对 流。 其次，格子 法能很好地用介观的方法来解决宏观非线性守恒方程。因为它的演化过程非常清晰，程序比较简洁；格子 法中涉及的计算都是局部性的，具有天然的并行性，非常适合在大规模并行计算机上运行。在二维问题上格子 法已经得到了很好的应用 34 在实际问题的解决上，三维格子 型的应用是非常必要的。常用的三维格子 型有 于三维问题，还有其它一些速度模型，比如 导出二十一点模型和二十五点 模型， 出的四十点模型，以及 些模型虽然对称性更好，结构也更为复杂 38。因此本文在用格子 法模拟磁流体三维流动与能量传递39，采用十五点正方体 (型。 本文研究过程的大致步骤为： 型，采取单一松弛时间方法，用碰撞函数简化 利用 开和多尺度展开得到格子 型，进而得到格点的局部平衡分布 函数，松弛时间等。 虑纳米磁性颗粒在各种内外力作用下的无规行走、沉降和扩散，模拟有无外加磁场时宏观静止磁流体的分布形态以及磁流体流动过程。 格子 法作为新兴的传热研究数值方法，其理论模型和工程应用都存在着许多不可预知性，因此还要根据工作进展适当调整方案。 参考文献 1宣益民 ,叶萌 ,李强 . 磁流体的 法模拟 . 工程热物理学报 . 2005 2李德才 科学出版社 3叶萌 法 2005 4 25(5): 385 5 杨正东 法的磁流体特性研究 2004 6 方生 ,张培强 化学物理学报 4(5) 7 张齐 ,王建华 ,朱鹤孙 自然科学进展 (1) 8 袁淑霞等 西安石油学院学报（自然科学版） 6）： 75 9姚正平，基于格子 法的纳米流体流动与能量传递机理研究。南京理工大学硕士论文。 2003。 10余凯 法 2003 11刘俊红 ,顾建明 功能材料与器件学报 (3) 12 of A 2(5) 13 1990(85): 40 14何济洲 ,缪贵玲 南昌大学学报（工科版） 8(3): 96 15 1(6) 16 of . 2000(2): 265 17 of of in to an 54(5) 18 in a 1995(171): 319 19 of 1995(145): 319 20 of in 2002(252): 144 21 of 1996(161): 94 22 2000(225): 39 23郭照立 ,郑楚光 ,李青 ,王能超 法 2002 24 B. 2001(20): 141 25王兴勇，索丽生，刘德有，程永光 法理论和应用的新进展 然科学版） 0(6) 26朴英锡，闫广武 法中的几个问题 1996,9(3) 27俞慧丹，赵凯华 型 1999,48(8) 28 87(17) 29 o, . 2001(39): 167 30阮剑 法及其对复杂流场的实现 31郭照立 法研究 32刘慕仁，陈若航，李华兵，孔令江 法 1999,48(10) 33冯慈璋 高等教育出版社 34 of in 115(14) 35 1999(155): 160 36 . 2001(63) 37 in 1998(201): 66 38 A 3D to in a 2003(193): 260 39 of D by 2005(202): 181 40 of in . 2003(68) 41 A a to a 2002(179): 201 42 in 2005(97) 43晏一光，吴波，郑楚光 型仿真 2001,22(4) 学位论文工作计划表 开始时间 2004 年 9 月 完成时间 2006 年 6 月 答辩时间 2006 年 7 月 阶段时间 论文各阶段的主要内容 完成形式 指导人 阅资料，掌握磁性液体基本理论、理解格子 法基本原理 查阅文献、理论 推导 李强 步建立磁流体格子 型，模拟不同外加磁场下磁流体的流动与传热特性 查阅