纳米通道滑移流动的分子动力学模拟研究

本文采用非平衡分子动力学方法对平板纳米通道滑移流动进行了非平衡分子动力学模拟,获得了不同壁面势能和不同温度时流体的速度分布及密度分布。研究结果表明滑移速度在很大程度上决定于流体温度和壁面吸引力作用强度的大小。由于不同壁面吸引力时流体的密度分布受温度的影响规律不同,使得不同壁面吸引力时流体的滑移速度受温度影响规律也不一致。而且,流体结构受壁面流速的影响要受到壁面势能的制约。     

双尺度疏油结构纳米通道滑移效应的研究

针对双尺度结构表面疏油特性的优异性,采用分子动力学的方法建立油液流体正十六烷烃分子模型,研究双尺度结构壁面润湿性影响下的纳米通道内流体的流动特性,通过对通道壁面亲疏油性下的双尺度结构的构建,与光滑壁面和单尺度壁面进行比较来探究双尺度纳米通道表面结构影响下油液流体在纳米通道内密度分布、速度分布、速度滑移和滑移长度的影响.模拟结果表明:对于亲油通道壁面,双尺度结构壁面亲油性明显加强,主流区域流体密度、流体速度和速度滑移都减小,甚至出现负滑移;而对于疏油通道壁面,双尺度分层结构能加强壁面的疏油性,通道内壁面形成稳定的气层使流体主流区域的密度增大,并且通道内流体的速度、速度滑移和滑移长度明显大于光滑和单尺度结构壁面.因此,纳米通道内双尺度结构能改变通道壁面的润湿性,并且能够加强流体在纳米疏油通道内的滑移减阻效应,为纳米通道内油液运输以及润滑薄膜减阻提供了设计基础.     

纳米通道滑移流动的分子动力学研究

本文采用非平衡分子动力学方法对纳米通道内的Couette流动进行了研究,计算获得了不同壁面和流体间势能作用强度下通道内流体的速度分布和密度分布,反映出可能存在的速度滑移、表观无滑移和负滑移现象,并探讨了速度滑移程度和壁面作用强度之间的关系。     

镁基合金自由枝晶生长的相场模拟研究

利用定量相场模型, 以Mg-0.5 wt.%Al合金为例模拟了基面((0001)面)内镁基合金的等温自由枝晶生长过程. 通过研究该合金体系数值模拟的收敛性, 获得了最优化值耦合参数λ = 5.5及网格宽度Δx/W₀ = 0.4, 并在该参数下系统研究了各向异性强度和过饱和度对枝晶尖端生长速度、尖端曲率半径、Péclet数及稳定性常数σ^* 的影响. 结果表明, 由微观可解性理论得到的稳定性系数σ^* 与ε₆ 拟合值σ^*≅ ε₆ ^1.81905, 更接近理想值σ ^* (ε₆) ≅ε₆ ^1.75. 此外, 当过饱和度Ω < 0.6时, 稳定性系数σ ^* 不随ε₆ 的变化而变化, 而当Ω > 0.6时, 稳定性系数σ ^* 随着ε₆ 的增加而减小. 这反映了枝晶的生长由扩散控制向动力学控制的转变. 随着过饱和度的增加, 枝晶形貌由雪花状枝晶向圆状枝晶转变.     

微通道内电解质溶液离子分布动电学效应模拟

动电学效应对微通道内流体流动特性影响很大,其对通道内粒子分布特性的影响使得通道近壁面流体流动特性极不稳定。本文采用分子动力学方法模拟了二维矩形微通道内NaCl稀电解质溶液的流动特性,考虑存在于不同粒子间的Lennard-Jones势能、静电力、以及带电离子与水分子间的相互作用,得到了粒子在通道内的分布特征。结果显示在动电学效应主要作用于通道壁面附近,而主流区域影响极小。Na~+离子在无量纲通道高度达到0.08和0.91时其浓度达到最大值,沿远离壁面其浓度逐渐降低,与壁面电性相反的Cl~-离子则在无量纲通道高度达到0.15和0.84附近浓度最高。其结果与基于连续介质解理论的Boltzamnn统计分布一致。水分子的浓度在壁面附近也较通道中心处高。     

自驱动Janus微球近壁运动特性实验与数值模拟研究

自驱动Janus微球是形状规则但表面构成不同的特殊活性颗粒. 针对微米级Pt-SiO₂型Janus 微球近壁面自驱动现象, 实验测得了微球的自驱动速度V_Janus, 并观察到微球运动过程中与垂直方向存在一偏转仰角ψ, 且ψ角随H₂O₂溶液浓度的增大呈减小趋势. 在此基础上, 建立自驱动Janus微球的数值模型, 通过模拟得到了微球在不同浓度H₂O₂溶液中的偏转仰角ψ及距底面的高度δ, 模拟与实验一致. 利用这些数据进一步讨论了壁面效应对微球旋转特征时间τ_R的影响. 这一工作对于理解Janus 微球的运动机理及发展相关应用具有重要意义.     

尺寸效应对微通道内固液界面温度边界的影响

采用非平衡分子动力学方法模拟不同浸润性微通道内液体的传热过程,分析了尺寸效应对固液界面热阻及温度阶跃的影响.研究结果表明,界面热阻随微通道尺寸的变化可分为两个阶段,即小尺寸微通道的单调递增阶段和大尺寸微通道的恒定值阶段.随着微通道尺寸的增加,近壁区液体原子受对侧固体原子的约束程度降低,微通道中央的液体原子自由移动,固液原子振动态密度近似不变,使得尺寸效应的影响忽略不计.上述两种阶段的微通道尺寸过渡阈值受固液作用强度与壁面温度的共同作用:减弱壁面浸润性,过渡阈值向大尺寸区域迁移;相较于低温壁面,高温壁面处的过渡阈值更大.增加微通道尺寸,固液界面温度阶跃呈单调递减趋势,致使壁面温度边界和宏观尺度下逐渐符合.探讨尺寸效应有助于深刻理解固液界面能量输运及传递机制.     

粗糙纳通道内流体流动与传热的分子动力学模拟研究

为研究粗糙表面对纳尺度流体流动和传热及其流固界面速度滑移与温度阶跃的影响,本文建立了粗糙纳通道内流体流动和传热耦合过程的分子动力学模型,模拟研究了粗糙通道内流体的微观结构、速度和温度分布、速度滑移和温度阶跃并与光滑通道进行了比较,并分析了固液相互作用强度和壁面刚度对界面处速度滑移和温度阶跃的影响规律. 研究结果表明,在外力作用下,纳通道主流区域的速度分布呈抛物线分布,由于流体流动导致的黏性耗散使得纳通道内的温度分布呈四次方分布. 并且,在固体壁面处存在速度滑移与温度阶跃. 表面粗糙度的存在使得流体剪切流动产生了额外的黏性耗散,使得粗糙纳通道内的流体速度水平小于光滑通道,温度水平高于光滑通道,并且粗糙表面的速度滑移与温度阶跃均小于光滑通道. 另外,固液相互作用强度的增大和壁面刚度的减小均可导致界面处速度滑移和温度阶跃程度降低. 关键词： 速度滑移 温度阶跃 流固界面 粗糙度     

纳米通道粗糙内壁对流体流动行为的影响

纳米流动系统具有高效、经济等优势,在众多领域具有广泛的应用前景.因该类系统具有极高的表面积体积比,致使界面滑移效应对流动具有显著影响.本文采用分子动力学方法以两无限大平行非对称壁面组成的Poiseuille流动为对象,分析了壁面粗糙度与润湿性变化对通道内流体流动的影响.对于不同结构类型的壁面,需要通过水动力位置来确定固液界面位置,准确计算固液界面位置有助于更好地分析界面滑移效应.研究结果表明,上下壁面不对称会引起通道内流场参数分布的不对称,壁面粗糙度及润湿性的变化会影响近壁面附近流体原子的流动特性,由于壁面凹槽的存在,粗糙壁面附近的数密度分布低于光滑壁面一侧.壁面粗糙度及润湿性的变化会影响固液界面位置,肋高变化及壁面润湿性对通道中速度分布影响较大,界面滑移速度及滑移长度随肋高和润湿性的增大而减小;肋间距变化对通道内流体流动影响较小,界面滑移速度和滑移长度基本保持恒定.     

纳米通道内液体流动的滑移现象

采用分子动力学模拟方法研究了液态氩在铂纳米通道内的流动，通过改变流体和壁面之间的势能作用获得了流体和通道表面之间浸润性质不同时的滑移现象. 研究发现：液体分子在亲水性通道表面附近呈类固体性质，数密度和有序性较大，而在疏水性表面附近的平均数密度降低，形成一个低密度层；液体流动在固体表面的速度滑移随着液体与表面势能作用的增强而减小，当液体和表面的浸润性不同时可以发生滑移、表观无滑移和负滑移现象；液体在固体表面的表观滑移是液体在固体表面的速度滑移、粘附和流体内部滑移的综合作用的结果. 关键词： 纳米尺度流动 速度滑移 浸润性 分子动力学模拟     

稠苯芳杂环及其烷基质子化学位移的计算

本文提出了予测稠苯芳杂环及其烷基链上质子化学位移的计算方法。 将稠苯芳杂环化合物用凯库勒式表示,计算式为为需考虑的苯环内的乙烯基效应。σ_mi,ci为各苯环的环流效应。σ_1,Hc为各芳杂环的屏蔽效应,对杂环上质子它就是该单独芳杂环上相应质子的δ值,对苯环上质子要将它分解为各结构因素的效应,即:σ_1,He=(1/2)^d-1δ_x=y(或σ_z)+σ_c-c·σ_m,H. σ_x-y与σ_z为杂原子或其基团的屏蔽效应,σ_c=c为存在于芳杂环中的乙烯基的效应,σ_m,Hc为芳杂环的环流效应,d为对不同质子所考虑的键数。有取代基时需考虑取代基的效应。计算环上烷基质子的公式为:δ=σ_p,CH3+ασ_c,CH3+βσ_t,CH3+σ_l,G σ_l,G为稠苯芳杂环基的某级效应。     

稠苯芳环及其烷基质子化学位移的计算

本文提出了予测稠苯芳烃及其衍生物的环上和烷基链上质子化学位移的计算方法。 将稠苯芳环化合物用凯库勒式表示,用下式计算: δ=σ_j.c-c+σ_mi.ci σ_j.c-c为各种乙烯基的效应。σ_mi.ci,为各个苯环的六电子π轨道的净环流效应,其计算式为: σ_m.e=(1/2)^m×1,52 m=n-u m为净环流效应级数,等于质子到该苯环相隔的键数n减其中的顺式键数u。 在菲环和类似菲环的4,5位与9,10位质子需考虑菲环效应。蒄环上的质子需考虑蒄环效应。有取代基需考虑取代基的效应。 计算环上烷基质子的公式: δ=σ_p.CH3+ασ_2.CH3+βσ_t.CH3+σ_i.G 此公式在作者以前的文章中己经报道。σ_i,G为稠苯芳基的某级效应。     

倾斜度及温度震荡频率对三维多孔介质方腔自然对流换热的影响

对三维多孔介质倾斜方腔内非稳态自然对流换热进行数值研究.腔体右壁面(X=1)保持恒温T₀,左壁面(X=0)基于温度T₀按正弦规律变化,其他所有壁面保持绝热.采用Brinkman扩展达西模型及SIMPLE算法模拟方腔内的流动.方腔沿y轴转动倾角α1的变化范围为0°~90°,沿x轴转动倾角α2的变化范围为0°~45°,无量纲温度震荡频率f的变化范围为5π~90π.详细研究倾角和温度震荡频率对三维方腔自然对流换热的影响.计算结果表明:当倾角α1=46°,α2=45°及温度震荡频率f=45π时,方腔内的换热最强.     

部分相干Airy光束在湍流大气中传输时的偏振特性

研究了部分相干Airy光束在湍流大气中传输时的偏振特性,偏振保持度作为衡量偏振传输效果的一个重要参数.结果表明:部分相干Airy光束在湍流大气中传输足够远时,其偏振度会变回到初始值;而在自由空间中传输,光束的偏振度会保持在某一个特定值;在湍流大气中,当光束传输距离不是很远时,光束对称轴上的偏振度分布为Airy函数,但是当传输足够远时,该偏振度分布逐渐趋向于类高斯状;光束的束腰半径越大,相干长度越长,越有利于光束传输后偏振的保持;存在一个指数截断因子,使得光束的偏振保持度很差.这些结论对于Airy光束在通信领域中的应用具有重要的意义.     

自辐射场下UN2分子的光谱研究

对铀原子和氮原子分别使用相对论有效原子实势和6-311+G(d)基组, 采用优选的密度泛函B3P86方法, 研究了铀本身产生自辐射场(-0.005–0.005 a.u.)作用下UN₂基态分子的能隙E_g和谐振频率ν. 结果表明: UN₂分子在自辐射场中反对称伸缩振动频率ν₃(σ_g)和对称伸缩振动频率σ₁(σ_g)与实验值1051.1 cm^-1和1008.3 cm^-1 基本符合; E_g随自辐射场场强的增大而趋于减少, 占据轨道的电子容易被激发至空轨道而形成激发态; UN₂分子在自辐射场中趋于不稳定, N₂, O₂等更容易扩散到表面内层而腐蚀铀表面, 加剧了铀在自辐射场中的腐蚀.     

Density-functional theory study on the electronic properties of laves phase superconductor CaIr_2

In this work we have used density-functional theory methods such as full-potential local orbital minimum basis(FPLO) and ELK-flapw to study the electronic structure of newly discovered Laves phase superconductor CaIr_2.The calculation of density of states(DOS) indicates that the bands near Fermi level are mostly occupied by the d-electrons of iridium.The simulation of de Haas-van Alphen(dHvA) effect has been performed by using Elk code to check the Fermi surface topology.The results show that there exist four Fermi surfaces in CaIr_2,including two electron-type and two hole-type surfaces.The optical response properties of CaIr_2 have been calculated in the dipole-transition approximations combined with including intra-band Drude-like terms.In the optical spectrum σ(ω) shows that the crossover from intraband to inter-band absorption occur near 1.45 eV.Further analysis on the electron energy loss spectra(EELS) matches the conclusion from that of optical conductivity σ(ω).     

H掺杂α-Fe2O3的第一性原理研究

α-Fe₂O₃是一种重要的磁性半导体材料, 在电子器件中应用广泛, 具有重要的研究意义. 本文基于密度泛函理论, 采用GGA+U方法, 应用第一性原理对间隙H掺杂前后的六方相α-Fe₂O₃的晶格常数、态密度、Bader 电荷分布进行了计算分析. 研究了U值对结果的影响, 发现U=6 eV时, 体相α-Fe₂O₃的晶胞平衡体积、Fe原子磁矩、带隙值与实验值最符合. 在选取合适U值后, 第一性原理计算结果表明, H掺杂后, 间隙H部分被氧化, 其最近邻的Fe 和O部分被还原, H和O有一定程度的成键. 在费米面附近, 出现了新的杂化能级, 杂化能级扩展了价带顶的宽度, 同时导带底下移, 引起带隙减小, 表明H掺杂是一种有效的能带结构调控方法.     

缩胺基脲和缩硫代胺基脲的核磁共振研究

本文研究了十二个缩胺基脲和缩硫代胺基脲化合物的¹H,¹³C核磁共振谱。指出芳环¹³C及¹H的δ_c和δ_H分别服从δ_c(1)=δ_c(0)+∑_js_ji及δ_H=7.41-∑s公式,而且δ_c与Hammett常数σ_p,π-电子云密度ρ_x以及δ_H-5ρ_p均有良好的线性关系。缩硫代胺基脲化合物具有一定的抗结核生物活性,而缩胺基脲化合物完全无此性质。同时,缩硫代胺基脲化合物的抗结核活性及其伴生的毒性又与母体羰基化合物的结构有关,因此引起人们一定的关注,并用X光衍射,电子吸收光谱,振动光谱等方法对此两类化合物的结构与性能间的关系进行了研究。但迄今为止,此两类化合物的¹³C NMR工作尚未见诸报道,¹H NMR的研究也比较少。为此,我们对这两类化合物¹³C NMR和¹H NMR进行了较系统的研究。这不仅为测定此两类未知化合物结构提供判据,而且对深入了解波谱参数和结构,以及结构与性能之间的联系亦是有益的。