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。     

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.     

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。     

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.     

纳米尺度流动速度计算的新方法

采用流体力学中流量与流速的计算和分子动力学相结合的方法,模拟液态氩在纳米通道内的三维Poiseuille流动和驱动方腔流动,计算流体流速.结果表明:平板形纳米通道内,该方法求得的流速与传统分子动力学方法所求流速基本吻合,可以用该方法计算不同壁面情况下的流速;对于纳米方腔通道内的流体,在不同模型下两种方法计算出的流速分布大致相同,但是其边界速度差别很大,在边界的速度计算方面新方法的精确度更高,收敛速度比传统方法快.     

粗糙微通道内液体流动的多尺度耦合模拟

采用分子动力学与有限容积法多尺度耦合算法对粗糙微通道内的液体Poiseuille流动进行了模拟。分析了粗糙元高度、分布以及几何形状对通道内流动速度和边界滑移长度的影响。结果表明：随着粗糙元高度的增加,流动速度和粗糙元间隙底部壁面上滑移长度均减小;粗糙元分布越密或不同几何形状粗糙元所对应的固壁原子数越多,滑移长度越小,但...     

纳米尺度下毛细流动的分子动力学模拟

采用分子动力学模拟研究纳米尺度下壁面润湿性对毛细流动的影响,主要考虑纳米通道两侧壁面润湿性相同与不同两种情况。研究表明：两侧壁面润湿性相同条件下,毛细流动随着壁面润湿性增强而加快, 毛细高度随时间的变化早期偏离Lucas-Washburn理论,但后期与其预测符合。在纳米通道两侧壁面润湿性不同的情况下,液面会发生振荡,两侧壁面毛细高度也不相等,且液面振荡的幅度和两侧壁面毛细高度差都随着两侧壁面润湿性差异的增大而增大。基于能量转化分析,提出两侧壁面湿润性不同情况下纳米通道中毛细流动发生的条件以及毛细流动快慢的判别依据。研究结果加深了对纳米尺度下毛细流动机理的认识,并为相关工程应用提供理论参考。     

纳米通道内超疏水性表面气泡的运动

疏水表面纳米气泡的运动有重要的应用价值和研究意义。本文采用分子动力学方法,模拟了纳米通道壁面为超疏水性时壁面上气泡的运动状况。在质量力驱动下,随着外界驱动力的增大,两壁面上的气泡被逐渐拉长,同时逐渐变得扁平;前端"接触角"逐渐增大,而后端"接触角"逐渐减小。纳米通道内疏水性表面的纳米气泡随着外部驱动力的变化呈现出不同的形态,变化程度随着驱动力的增大而增大。在不同驱动力作用下,两个气泡总是保持相同的速度,气泡的速度与外力驱动的大小呈线性增长趋势。随着外力的增大,边界层及通道中心速度皆呈现增大趋势。     

纳米通道内液态微流动密度分布特性数值模拟研究

微通道内流动因表面积/体积比值极大, 造成许多微尺度效应, 进而使微通道内出现完全不同于宏观流动的流体密度分布特性. 本文以纳米通道内液态Poiseuille流为对象, 采用非平衡分子动力学模拟方法研究了流体原子间相互作用强度ε_LL, 流体原子间平衡距离σ_LL以及壁面原子与流体原子间平衡距离σ_LS对通道内流体密度分布的影响规律. 数值模拟中, 统计系综取微正则系综, 势能函数选用LJ/126模型, 壁面设为Rigid-atom壁面, 温度校正使用速度定标法, 牛顿运动方程的求解则采用Verlet算法. 模拟结果表明, 随ε_LL的减弱, 近壁面区密度分布的振荡幅度则逐渐增大; 而σ_LL 则同时影响流体原子的存在形态和密度分布, 较大的σ_LL 会造成流体原子在整个通道内呈现面心立方结构的类似固体排列, 较小的σ_LL会使得流体原子呈现不断变化的 "团簇" 结构; 随σ_LS的变大, 近壁面区流体密度振荡幅度增大, 且流体密度分布起点离壁面越远. 另外, 本文还从近壁面区流体原子的 "俘获-逃逸" 行为角度, 初步解释了原子间相互作用强度对密度分布的影响规律. 关键词： 纳米通道 微流动 密度分布 分子动力学     

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.     

Effects of wettability and interfacial nanobubbles on flow through structured nanochannels: an investigation of molecular dynamics

Solid–fluid boundary conditions are strongly influenced by a number of factors, including the intrinsic properties of the solid/fluid materials, surface roughness, wettability, and the presence of interfacial nanobubbles (INBs). The interconnected nature of these factors means that they should be considered jointly. This paper employs molecular dynamics (MD) simulation in a series of studies aimed at elucidating the influence of wettability in boundary behaviour and the accumulation of interfacial gas. Specifically, we examined the relationship between effective slip length, the morphology of nanobubbles, and wettability. Two methods were employed for the promotion of hydrophobicity between two structured substrates with similar intrinsic contact angles. We also compared anisotropic and isotropic atomic arrangements in the form of graphite and Si(100), respectively. A physical method was employed to deal with variations in surface roughness, whereas a chemical method was used to adjust the wall–fluid interaction energy (?_wf). We first compared the characteristic properties of wettability, including contact angle and fluid density within the cavity. We then investigated the means by which variations in solid–fluid interfacial wettability affect interfacial gas molecules. Our results reveal that the morphology of INB on a patterned substrate is determined by wettability as well as the methods employed for the promotion of hydrophobicity. The present study also illustrates the means by which the multiple effects of the atomic arrangement of solids, surface roughness, wettability and INB influence effective slip length.     

水在不均匀纳米通道内自扩散性质的分子动力学研究

本文用分子动力学(MD)方法模拟了受限水在不均匀润湿性微通道中的自扩散性质.通过考察不均匀润湿通道内水的自扩散行为,发现在微通道中水的扩散性质表现出明显的尺度效应,随着通道高度的增加水的扩散增强.更重要的是,由于通道高度的不同,通道内的不均匀润湿段对水的扩散与均匀通道相比有不同的影响.当通道高度为0.8 nm时,不均匀润湿通道内水的扩散增强;当通道高度为1.0 nm时,不均匀润湿通道内水的扩散减弱;而当通道高度达到1.2 nm时,不均匀润湿通道内水的扩散基本相同.     

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.     

Effective boundary slip and wetting characteristics of water on substrates with effects of surface morphology

ABSTRACT

In the present study, molecular dynamics (MD) simulation was used to investigate the relationship between wetting behaviour and slip length on patterned substrates. We adopted two solid surfaces of Si(100) and graphite due to similarities in their intrinsic contact angle. Contact angle and apparent slip length were obtained using discrete simulations with the same thermodynamic states. In the present study, a number of questions regarding surface roughness and the problem of contact angle (θ) and slip length (L_s) are discussed. These questions include the relationship between θ and surface roughness, the characteristics used to describe the difference between static and dynamic fluid fields and the reason for a lack of multilayer sticking observed in the current cases. Our results indicate that the quasi-universal θ ? L_s equation proposed by Hung et al. (2008) is applicable to cases involving a Cassie-like nanoscale roughened surface. In contrast, in cases with a Wenzel-like nanostructure, the no-slip boundary conditions are independent of variations in the contact angle. The adoption of a Wenzel–Cassie hybrid model helped to verify that the fluid density inside the cavity is a critical indicator of wettability of the wall–fluid interface. Our results also demonstrate that ρ_{f, cav} is a critical property in the measurement of hydrodynamic effects and thus its importance as an indicator of the validity of the equation θ ? L_s. The average time that water molecules are trapped and the number of averaged hydrogen bonds within cavities in a dynamic fluid field were also investigated.

     

疏水表面滑移流动及减阻特性的格子Boltzmann方法模拟

采用格子Boltzmann方法研究了固体壁面对流体的作用强度与其润湿性的关系,在此基础上进一步模拟了疏水表面微通道内的流体流动,获得了润湿性对疏水表面滑移流动及减阻特性的影响规律,证实了疏水表面表观滑移的存在性并揭示了其产生机理.结果表明,疏水性作用在疏水表面的近壁区诱导了一个低密度层,而表观滑移则发生在低密度层上.表观滑移是疏水表面具有减阻作用的直接原因,减阻效果随滑移长度的增大而增大.对于特定的流体系统,滑移长度是疏水表面的固有属性,仅是壁面润湿性的单一函数,而与流动本身的性质无关.     

On the boundary slip of fluid flow

For hundreds of years, in all the textbooks of classical fluid mechanics and lubrica- tion mechanics it is assumed that there was no wall slip (boundary slip) at a liquid-solid interface, i.e. no relative motion between liquid and solid at the interface. This is the no-slip boundary condition. It has been widely applied to engineering and experiments and to almost all the rheology or viscosity measurements of fluids. Rheology is one of the most important bases for fluid mechanics and lubricati…