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.     

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     

高温壁面润湿性对气层稳定性及其壁面滑移性能的分子动力学研究

针对流体在纳米通道的小尺度效应,采用分子动力学方法模拟了传热效应以及流体流动行为,研究在壁面温度影响下,不同润湿性壁面上方气层生成状态以及流体流动时气层的稳定特性和相应的减阻性能.结果表明:当壁面为纯疏水壁面时,不能形成气层;疏水基底+亲水组合壁面形成不规则气层;纯亲水壁面和亲水基底+疏水组合壁面能形成规则气层.当流体流动时,疏水基底+亲水组合壁面气层消失,而纯亲水壁面和亲水基底+疏水组合壁面气层较为稳定.纯疏水壁面主流区域速度较大,而纯亲水壁面主流区域最低.对于壁面滑移速度,存在气层的壁面滑移速度与纯疏水表面相对接近,甚至稍优于纯属疏水表面,而疏水基底+亲水组合壁面滑移速度最小.     

耗散粒子动力学中施加无滑移边界条件的新方法

在耗散粒子动力学(DPD)中施加无滑移边界条件是较困难的,本文提出了一种新的处理方法来实现无滑移边界条件.通过选取合适的壁面与流体粒子之间的保守力系数可以控制近壁面区的粒子数,从而可以使密度波动降低至极小值,实现无滑移边界条件.通过该方法模拟泊肃叶流动求得的流体性质与通过使用Lees-Edwards边界条件模拟剪切流动所求得的流体性质一致,证明了该方法的可靠性.     

适用复杂几何壁面的耗散粒子动力学边界条件

耗散粒子动力学(DPD)是一种针对介观流体的高效的粒子模拟方法,经过二十多年发展已经在诸如聚合物、红细胞、液滴浸润性等方面有了很多研究应用.但是因为其边界处理手段的不完善,耗散粒子动力学模拟仍局限于相对简单的几何边界问题中.本文提出一种能自适应各种复杂几何边界的处理方法,并能同时满足三大边界要求:流体粒子不穿透壁面、边界处速度无滑移、边界处密度和温度波动小.具体地,通过给每个壁面粒子赋予一个新的矢量属性—局部壁面法向量,该属性通过加权计算周围壁面粒子的位置得到;然后通过定义周围固体占比概念,仅提取固体壁面的表层粒子参与模拟计算,减少了模拟中无效的粒子;最后在运行中,实时计算每个流体粒子周围固体粒子占比,判断是否进入固体壁面内,如果进入则修正速度和位置.我们将这种方法应用于Poiseuille流动,验证了该方法符合各项要求,随后还在复杂血管网络和结构化固体壁面上展示了该边界处理方法的应用.这种方法使得DPD模拟不再局限于简单函数描述的壁面曲线,而是可以直接从各种设计图纸和实验扫描影像中提取壁面,极大地拓展了DPD的应用范围.     

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.     

耗散粒子动力学处理复杂固体壁面的一种有效方法

耗散粒子动力学(dissipative particle dynamics,DPD)作为一种介观尺度拉格朗日型粒子方法,已经成功地应用于微纳米流动和生化科技的研究中.复杂固体壁面的处理和壁面边界条件的实施一直是DPD方法发展及应用的一个障碍.提出了处理复杂固体壁面的一种新的方法.复杂固体区域通过冻结随机分布并且达到平衡状态的DPD粒子代表;所冻结的DPD粒子位于临近流动区域的一个截距内;在靠近固体壁面的流动区域中设置流动反弹层,当流动DPD粒子进入此流动层后反弹回流动区域.应用这种固体壁面处理方法对简单流动区域的Poiseuille流动和复杂多孔介质内的流动进行了分析.研究表明,这种新的固体壁面处理方法能够有效模拟复杂固体区域,准确实施壁面边界条件.     

无网格粒子法壁面边界特性研究

针对无网格粒子法下的离散壁面边界,通过基于粒子数密度的机理分析,证明了离散数值边界与真实边界之间存在差异。分别在二维和三维尺度下,通过计算并分析典型情况下近壁面零散流体粒子的运动轨迹,验证了该差异的存在并展示了壁面对流动产生影响的方式和相关现象。结果表明,数值壁面边界未能完全准确描述真实物理边界,壁面对流体的影响区域并非完全非光滑平顺,这对近壁面流动尤其是低速零散流体粒子会产生一定影响。     

基于范德瓦尔斯表面张力模式液滴撞击疏水壁面过程的研究

液滴撞击疏水壁面过程的研究在介观流体力学和微流体作用材料科学的研究中具有重要的理论意义和工程价值. 论文在SPH方法中引入范德瓦尔斯状态方程处理液滴表面张力, 考虑流体粒子之间远程吸引, 近程排斥的内部作用力, 提出了流体粒子与疏水壁面粒子间势能函数与表面张力相结合的作用模式. 通过模拟真空条件下两个静止的等体积液滴相互融合的过程, 验证了计算模式在模拟液滴的表面张力中的有效性. 采用该模式模拟的液滴撞击疏水壁面过程, 不仅能够有效地模拟液滴撞击壁面后的变形过程, 而且清晰地模拟出液滴的回弹、腾空以及二次撞壁现象的完整过程. 模拟结果与液滴撞击疏水壁面的实验结果以及VOF模拟结果符合较好, 表明本文所提出的表面张力和疏水壁面作用力处理模式对模拟液滴撞壁过程具有实际应用价值.     

滑移长度对液体泊肃叶微流动特性的影响

利用COMSOL Multiphysics软件,选取不同滑移长度对水的泊肃叶微流动进行数值模拟,得到入口段长度、流量和摩擦阻力系数随滑移长度的关系,分析了微流动与宏观流动的差别及不同的壁面条件下流动参数的差异.结果表明:无滑移壁面和亲水壁面下,微流动入口段长度和目前的经验公式吻合;流量值小于理论值,但与压差依旧成正比;摩擦阻力系数大于宏观理论值.典型无滑移壁面和亲水壁面下的流动特性基本相同;疏水壁面的入口段长度和无滑移壁面、亲水壁面相近,但流量和摩擦阻力系数有差异;超疏水壁面下流动特性和其他三种壁面差异很大.进口速度一定时,入口段长度随滑移长度成"阶梯式"增长;流量随滑移长度的增加而增大;摩擦阻力系数随着滑移长度的增加而减小.     

带凹槽的微通道中液滴运动数值模拟

运用改进的耗散粒子动力学方法模拟了液滴在由凹槽所构成的粗糙表面微通道内的运动行为.改进的耗散粒子动力学方法采用新近提出的一种短程排斥、长程吸引相互作用势能函数,从而可以模拟带有自由面的流体,如液滴等.模拟了新势能函数下液滴与固体壁面的静态接触角,并用2次多项式拟合了"接触角-a_wf/a_f"变化曲线.研究了液滴在带凹槽的微通道中运动时,微通道壁面浸润性、外场力、液滴温度对液滴流动特性的影响.研究表明壁面浸润性和外场力对液滴流动特性的影响较大,液滴温度对液滴流动特性的影响较小.研究结果对运用耗散粒子动力学方法模拟并分析微流体在复杂微通道的流动有一定的参考价值.     

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.     

Tunable-slip boundaries for coarse-grained simulations of fluid flow

On the micro- and nanoscale, classical hydrodynamic boundary conditions such as the no-slip condition no longer apply. Instead, the flow profiles exhibit "slip" at the surface, which is characterized by a finite slip length (partial slip). We present a new, systematic way of implementing partial-slip boundary conditions with arbitrary slip length in coarse-grained computer simulations. The main idea is to represent the complex microscopic interface structure by a spatially varying effective viscous force. An analytical equation for the resulting slip length can be derived for planar and for curved surfaces. The comparison with computer simulations of a DPD (dissipative particle dynamics) fluid shows that this expression is valid from full slip to no slip.     

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。     

Time-dependent and outflow boundary conditions for Dissipative Particle Dynamics

We propose a simple method to impose both no-slip boundary conditions at fluid-wall interfaces and at outflow boundaries in fully developed regions for Dissipative Particle Dynamics (DPD) fluid systems. The procedure to enforce the no-slip condition is based on a velocity-dependent shear force, which is a generalized force to represent the presence of the solid-wall particles and to maintain locally thermodynamic consistency. We show that this method can be implemented in both steady and time-dependent fluid systems and compare the DPD results with the continuum limit (Navier-Stokes) results. We also develop a force-adaptive method to impose the outflow boundary conditions for fully developed flow with unspecified outflow velocity profile or pressure value. We study flows over the backward-facing step and in idealized arterial bifurcations using a combination of the two new boundary methods with different flow rates. Finally, we explore the applicability of the outflow method in time-dependent flow systems. The outflow boundary method works well for systems with Womersley number of O(1), i.e., when the pressure and flowrate at the outflow are approximately in-phase.