纳米通道内气体剪切流动的分子动力学模拟

采用分子动力学模拟方法研究了表面力场对纳米通道内气体剪切流动的影响规律.结果显示通道内的气体流动分为两个区域:受壁面力场影响的近壁区域和不受壁面力场影响的主流区域.近壁区域内,气体流动特性和气体动力学理论预测差别很大,密度和速度急剧增大并出现峰值,正应力变化剧烈且各向异性,剪切应力在距壁面一个分子直径处出现突变.主流区域的气体流动特性与气体动力学理论预测相符合,该区域内的密度、正应力与剪切应力均为恒定值,速度分布亦符合应力-应变的线性响应关系.不同通道高度及密度下,近壁区域的归一化密度、速度及应力分布一致,表明近壁区域的气体流动特性仅由壁面力场所决定.随着壁面对气体分子势能作用的增强,气体分子在近壁区域的密度和速度随之增大,直至形成吸附层,导致速度滑移消失.通过剪切应力与切向动量适应系数(TMAC)的关系,得到不同壁面势能作用下的TMAC值,结果表明壁面对气体分子的势能作用越强,气体分子越容易在壁面发生漫反射.     

非对称纳米通道内流体流动与传热的分子动力学

采用分子动力学方法研究了流体在非对称浸润性粗糙纳米通道内的流动与传热过程,分析了两侧壁面浸润性不对称对流体速度滑移和温度阶跃的影响,以及非对称浸润性组合对流体内部热量传递的影响.研究结果表明,纳米通道主流区域的流体速度在外力作用下呈抛物线分布,但是纳米通道上下壁面浸润性不对称导致速度分布不呈中心对称,同时通道壁面的纳米结构也会限制流体的流动.流体在流动过程中产生黏性耗散,使流体温度升高.增强冷壁面的疏水性对近热壁面区域的流体速度几乎没有影响,滑移速度和滑移长度基本不变,始终为锁定边界,但是会导致近冷壁面区域的流体速度逐渐增大,对应的滑移速度和滑移长度随之增大.此时,近冷壁面区域的流体温度逐渐超过近热壁面区域的流体温度,流体出现反转温度分布,流体内部热流逆向传递.随着两侧壁面浸润性不对称程度增加,流体反转温度分布更加明显.     

气体-表面相互作用中动量和能量分量间转化机制的分子动力学研究

气体分子与壁面之间的相互作用是影响稀薄气体流动状态的主要因素,但是由于其物理上的复杂性和微观性,这一过程的机理并没有得到充分揭示.本文利用分子束法对Ar分子在金属Pt表面的碰撞过程进行了分子动力学模拟,并探究了入射速度、角度和壁面粗糙度对动量、能量转化机制的影响.结果表明,当气体分子以5o的极角入射时,分子的法向速度分量占主导因素,在与壁面发生碰撞之后,分子的切向和法向动量都会损失,法向动能会向切向转移,并且当分子速度不低于2.0时,切向和法向动能的比值会稳定在一个很小的区间,而粗糙度对动量和能量转化的影响不明显.与小角度入射时不同,当气体分子以75o的极角与金属表面碰撞时,粗糙度的影响就不能再被忽略了.大极角入射的气体分子在光滑壁面散射之后,其运动规律基本符合Maxwell所假设的镜面反射,动量和能量分量的变化都不明显.而粗糙度的引入则会促进气体分子切向动量和能量向法向转移,并且会使分子总能量的损失更加显著.     

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.     

近壁球形颗粒的曳力特性研究

本文研究了球形颗粒在近壁区域内的曳力特性,基于气体动理论方法推导得到了自由分子区内近壁颗粒沿垂直于平壁方向运动时所受曳力的表达式,其计算结果与直接蒙特卡洛模拟结果一致。计算并分析了动量适应系数、壁面温度等参数对近壁颗粒所受曳力的影响规律和机制。当壁面动量适应系数为零时,近壁效应消失;当壁面温度高于气体温度时,近壁效应使得颗粒所受曳力增大;当壁面温度低于气体温度且颗粒速度较小时,可能出现曳力方向与颗粒运动方向相同的情况。     

分子动力学模拟纳米通道内混合气体流动的温度效应

温度对纳米通道内流体的流动有显著的作用。运用分子动力学方法,模拟了不同温度下气体混合物在纳米通道内的Poiseuille流动。结果表明:气体混合物化学成分和物理结构都是非均匀的,固壁附近亲水粒子密度随着温度的升高而降低,疏水粒子随着温度的升高逐渐能够到达固壁附近。纳米通道内混合气体在温度较低时有明显的分层现象,而随着温度的升高,密度分布趋于一致。同时在固体壁面从温度较低时的无表观滑移到表观滑移速度随着温度的升高而逐渐增大,而在通道中心混合气体的流动速度随着温度的升高而降低。     

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     

粗糙微通道内气体流动的分子动力学研究

为研究粗糙度对微通道内气体流动及其边界滑移性质的影响,采用分子动力学模拟方法研究了氩气在0.1 μm铂通道内的流动,通道表面粗糙度由三角粗糙元阵列构成。气体流动的边界条件决定于2个准则数: A/λ和Kn=λ/L(其中A为壁面粗糙度、λ为气体分子的平均自由程、L为流动系统的尺度)。Maxwell基于Kn的滑移模型当A/λ<0.25时适用;A/λ<1时,气体流动存在边界速度滑移,体现出稀薄效应,A/λ≈1时为无滑移,A/λ>1时为等效负滑移.     

纳米通道内液体流动的分子动力学研究

本文采用分子动力学方法模拟液体在定截面及变截面纳米通道内的三维Poiseuille流动,研究液体浸润性及通道截面变化对纳米通道内液体流动的影响.研究结果表明:液体对壁面不湿润时,壁面处有速度滑移存在,并且随接触角的增大而增大,液体对壁面湿润则不存在速度滑移;同时,摩擦阻力系数随接触角的减小而增大.通道截面形状的变化对流场的影响随着远离变截面位置而迅速减弱,对流体通道平直处的流体速度相对值分布影响不大,对摩擦阻力系数影响较大.     

气体-表面相互作用的分子动力学模拟研究

采用分子动力学模拟方法研究了气体分子Ar在光滑和粗糙Pt表面上的散射规律.提出了一种速度抽样方法,计算了不同温度条件下气体分子对光滑和粗糙表面的切向动量适应系数和吸附概率.结果显示：光滑表面条件下,气体分子的切向动量系数和吸附概率都随着温度的升高而降低;粗糙度对气体分子切向动量与表面的适应具有极大的促进作用,当粗糙度足够大时,切向动量适应系数的大小趋近于1.0,对温度的敏感性也逐渐降低.采用粒子束方法对气体分子在光滑和粗糙表面上的散射规律进行了定量分析.总结了散射过程中气体分子的典型轨迹和动量变化规律,将气体分子在光滑表面的散射分为两种类型：单次碰撞后散射和多次碰撞后散射.单次碰撞后散射的气体分子平均切向动量有所减小,而经过多次碰撞后散射的气体分子则倾向于保持原有的平均切向动量.对于粗糙表面,粗糙度的存在使气体分子与表面间的动量和能量适应更加充分,导致气体分子在较粗糙表面上散射后的平均切向动量大幅减小并接近于0,且气体分子在表面上经历的碰撞次数越多,其散射后的能量损失越严重.     

粗糙度对微细圆管内流动特性影响的摄动分析

本文以粗糙度为小参数,采用正则摄动法求解了微细圆管内的层流流动.计算结果表明,壁面相对粗糙度和粗糙元的无量纲间距是影响微细通道内部流场的主要因素.壁面相对粗糙度仅影响扰动流函数的峰值但不影响流场受扰区域的大小;而粗糙曲线空间波数对扰动流函数的峰值和扰动区域的大小都有影响.当粗糙度相同增大空间波数时,流函数的扰动峰值和受扰区域都将减小,这为合理设计粗糙元同时抑制摩擦阻力增大提供了理论依据.     

偏工况下壁面粗糙度对泵腔内流动规律的影响

本文将结合雷诺时均方程、RNG k-ε湍流模型和等效沙粒粗糙度模型,研究一离心泵泵腔内的流动规律与壁面粗糙度和运行工况的关系。研究表明:壁面粗糙度对离心泵外特性的影响存在一个峰值,此时绝对粗糙度的值为0.2mm;随着流量的增加,壁面粗糙度对叶轮前、后盖板所受扭矩的影响增加、对离心泵轴功率的影响减小。设计工况下,前泵腔中存在无量纲切向速度α值不变的核心流动区域。在核心流动区域内,随着粗糙度的增加,α值先减小,达到极小值后趋于稳定,稳定值为0.51。在前盖板附近,极小值往粗糙度较大的方向移动。小流量工况下,湍流核心区域消失,动、静壁面附近α值随流量的变化规律相反。大流量工况下,湍流核心区域减小,且更加靠近静壁面。     

自由流区近壁蒸发及未蒸发颗粒的热泳分析

本文给出了自由分子流区作用在壁面附近蒸发及未蒸发颗粒上的热泳力的分析结果.分析中气体分子在壁面和颗粒表面处均假定为部分镜反射和部分漫反射.分析表明,作用在近壁颗粒上的热泳力不仅依赖于气体中的温度梯度,还和气体的压力以及壁面与气体温度比有关.颗粒表面的温度和镜反射分数对作用于未蒸发颗粒的热泳力没有影响,但明显影响作用于蒸发颗粒的热泳力.研究表明,近壁效应及蒸发对颗粒热泳的附加影响是不容忽视的.     

压力边界条件下微通道内气体流动换热特性研究

本文用直接模拟蒙特卡罗方法对给定进出口压力边界条件下微通道内气体的流动换热特性进行了数值模拟,给 出了壁面与流体的温差对气体沿程压力、温度及数密度分布的影响。计算结果表明,当壁温高于流体温度时,温差仅出现 在通道进出口处,但其发生机理却不同;流体可压缩性与稀薄性均得到增强,沿程压力分布更加非线性。     

单壁碳纳米管内流体流动的手性效应

纳米尺度范围内流道分子结构形成的粗糙度将会影响其中的流体流动。本文采用分子动力学方法,以氩为工质,模拟了不同手性的单壁碳纳米管（SWCNT）内流体的流动。结果表明：由于范德瓦耳斯力的作用,流体分子与壁而间有一定的距离。可以看出在壁面附近有两个明显的分层,这是纳米流动中持有的流体密度分层现象。由于不同手性碳纳米管的分子排...     

超临界CO_2在岩石孔隙内流动状态的分子模拟

本文采用分子模拟的方法研究了地质封存条件下超临界CO_2在镁橄榄石孔隙内的流动,分析了孔隙尺寸、温度、压强对超临界CO_2的密度分布和流动速度的影响.研究结果表明,只有当孔隙尺寸大于5.0 nm时,超临界CO_2分子在岩石孔隙内的流动才符合Poiseuille流动;同时,超临界CO_2分子在岩石近壁面存在1.5 nm的密度震荡,当孔隙尺寸小于15 nm时,密度振荡现象会影响CO_2分子在岩石孔隙内的平均密度;升高温度、降低压强的方法可以减小密度震荡的第一峰值,减弱岩石壁面与CO_2的相互作用,使得CO_2的流动速度增加.     

基于UGKS的过渡区方柱绕流数值研究

本文基于统一气体动理学格式(Unified Gas Kinetic Scheme,UGKS),对微尺度过渡区气体绕流方柱开展数值模拟研究,计算分析了Kn数对气体流动传热过程的影响规律。研究发现,随着Kn数增加,方柱壁面气体速度滑移和温度跳跃增大,壁面上压力、剪切力和热流也相应增大,方柱壁面-气体之间的换热得到强化;方柱对气体流动的阻碍作用减小,方柱前滞止区影响范围相对增大,方柱温度对柱后区域气体温度影响相对减小。     

微尺度流动的扩展二阶滑移边界条件

本文提出了求解微流动Navier-Stokes方程的扩展二阶滑移边界条件.该边界条件依赖一个有效的分子平均自由程,并考虑了气体分子与壁面碰撞的影响,能够刻画Knudsen层内的流动.基于该边界条件,对微通道内的气体流动进行了研究,计算结果与实验数据和其他理论结果相吻合.     

纳米通道内高分子稀溶液的分子动力学模拟

运用分子动力学方法对纳米通道内的高分子稀溶液进行了模拟,分析了通道宽度、壁面性质和链长对高分子链构象参数和质心密度分布的影响。模拟结果表明:随着通道宽度和壁面接触角的增大,回转半径逐渐减小,高分子链实现了从二维构象向三维构象的转变;通道宽度的减小和壁而接触角的增大,均导致高分子链远离壁面;在通道宽度一定时,长链高分子易呈伸展状且远离壁面,而短链易呈团聚状且移向壁面.