1995年,美国Argonne国家实验室的Choi在国际上首次提出了纳米流体的概念：即以一定的方式和比例在液体中添加纳米级的金属或非金属氧化物粒子,形成一类新的传热冷却工质。纳米流体的概念一经提出,立即引起了国内外研究者的关注。作为一种新型的功能流体,纳米流体拥有一些特殊的性质。纳米流体的传热特性、传质特性以及光学特性是其三个重要的物性,已有的实验研究已经表明纳米流体在传热、传质以及光学领域有很好的应用前景。目前,人们对于纳米流体的研究还不够深入,纳米流体各种特性的机理尚不清楚。进一步开展纳米流体各种特性的机理研究,有助于加深人们对纳米流体的认知,能够促进纳米流体的工程应用,是非常有意义的工作。本文围绕纳米流体的传热、传质以及光学特性开展了研究工作,探索了纳米流体的导热机理、传质机理以及光吸收特性机理,为纳米流体的应用提供了理论指导。本文的主要工作包括以下几个方面：1.纳米流体导热机理的研究自纳米流体的概念被提出以来,人们就一直关注纳米流体的传热特性。研究者们对纳米流体的导热系数进行了大量的实验及理论研究。实验结果表明纳米流体的导热系数比基液的导热系数有了很可观的提高。人们考虑各种因素,提出了很多理论模型来解释纳米流体的导热机理,但目前还没有一种完善的理论。纳米流体内部的能量传递是一个非常复杂的过程,传统的导热模型不能解释纳米流体中的传热过程。要搞清楚纳米流体的导热机理,还需要进一步更深入的研究。本文首先对已经报道的关于纳米流体导热系数的研究结果进行了分析总结,搞清楚了影响纳米流体导热系数的各种因素。纳米流体的导热系数可以看作静态导热系数与动态导热系数之和。本文综合考虑影响纳米流体导热系数的各种因素,分别建立了纳米流体的静态导热系数模型和动态导热系数模型。利用本文建立的理论模型,结合实验结果对纳米流体的导热机理进行了研究,搞清楚了影响纳米流体导热系数的主要因素。对于纳米粒子具有磁性的纳米磁流体,其导热系数在外加磁场作用下是各向异性的。目前关于这方面的理论研究很少,本文结合了纳米磁流体微结构的动力学模拟以及纳米流体的静态导热系数模型,对纳米磁流体的各向异性导热机理进行了研究。首先详细分析了纳米磁流体中磁性粒子受到的各种作用力,建立了磁粒子受力模型及运动方程。在此基础上,运用动力学方法模拟了在有、无外加磁场作用两种情况下纳米磁流体的微观聚集结构。然后利用纳米流体的静态导热模型计算了不同结构的纳米磁流体的各向异性导热系数。研究结果表明,外加磁场作用下磁性粒子沿着磁场方向形成了链状结构,这种链状结构为流体内部的传热提供了有效的通路,使得纳米磁流体在沿着链方向的导热系数大于垂直于链方向的导热系数,纳米磁流体导热系数的各向异性特征会随着外加磁场强度的增大而变得更加明显。2.纳米流体强化传质研究关于纳米流体强化传质的研究处于起步阶段,研究结果比较少。本文从理论和实验两个方面对纳米流体的传质过程进行了探索,较为完整地研究了纳米流体的强化传质机理。(1)理论研究方面分析了悬浮纳米粒子的布朗运动对于纳米流体内部传质过程的影响,并根据热质比拟理论,得到了纳米流体有效传质扩散系数的准则方程。通过对纳米流体传质过程的理论分析,搞清楚了影响纳米流体传质扩散系数的主要因素。(2)实验研究方面根据Taylor分散法的思路,设计出了能够定量测量纳米流体传质扩散系数的实验系统。测量了不同温度(15℃、20℃、25℃)条件下罗丹明B在不同粒子体积份额(0.1%～0.5%)的Cu-水以及Cu-乙二醇纳米流体中的扩散系数,研究了纳米流体中粒子体积份额、温度以及基液属性等因素对传质的影响。结果表明悬浮纳米粒子的不规则运动强化了基液内的传质过程。罗丹明B在纳米流体中的扩散系数要大于其在基液中的扩散系数,且扩散系数随着粒子体积份额的增大而增大。当粒子体积份额相同时,扩散系数随着温度的升高而增大。罗丹明B在Cu-水纳米流体中的扩散系数要大于其在Cu-乙二醇纳米流体中的扩散系数。本文对纳米流体强化传质所做的理论和实验上的探索性工作,帮助我们搞清楚了影响纳米流体传质的一些主要因素,对于促进纳米流体在工程中的应用起到了指导作用。3.纳米流体光学特性研究影响纳米流体光学特性的重要参数是纳米流体的消光系数。本文从实验和理论两个方面对纳米流体的消光系数进行了研究。由于纳米磁流体有特殊的磁光效应,其在光学领域的应用前景比普通的纳米流体更加广泛。本文用新建的理论模型重点研究了纳米磁流体在外加磁场作用下的光学各向异性机理。(1)实验研究方面根据薄膜透射原理,建立了可以测量纳米流体消光系数的实验方法。首先用该方法测量了水在不同波长下的消光系数,并与文献值进行了对比。分析表明该实验方法适合测量纳米流体的消光系数,有较高的精度。然后用该方法测量了不同粒子体积份额的Fe304-水纳米流体的消光系数,为接下来的理论研究提供了实验数据。(2)理论研究方面建立理论模型,引入了T矩阵算法,考虑纳米流体中粒子的聚集结构特性以及粒子之间的多次散射,建立了一种可以精确计算纳米流体消光系数的理论方法。用该方法对不同体积份额的Fe3O4-水纳米流体的消光系数进行了计算,并与本文的实验结果进行了对比。计算结果与实验结果符合的很好。为了研究纳米磁流体的光学各向异性机理,首先利用本文所建立的动力学方法模拟得到了纳米磁流体在外加磁场作用下的微观结构,然后用本文的理论方法计算得到了纳米磁流体各向异性的消光系数。利用该方法分析了粒子粒径、体积份额、外加磁场等因素对纳米磁流体消光系数的影响。研究结果表明：在外加磁场作用下,磁性纳米粒子会沿着磁场方向形成链状聚集结构,正是这种各向异性的聚集结构导致了纳米磁流体的消光系数出现了各向异性特征。在平行于磁场方向,纳米磁流体的消光系数小于不加磁场时的值,且消光系数随着磁场强度的增大而减小,直到达到恒定值；在垂直于磁场方向,若入射光的偏振方向与磁场方向平行,纳米磁流体的消光系数大于不加磁场时的值,且消光系数随着磁场强度的增大而增大；若入射光的偏振方向与磁场方向垂直,纳米磁流体的消光系数小于不加磁场时的值,且消光系数随着磁场强度的增大而减小。