纳米尺度边界滑移的分子动力学模拟研究

利用分子动力学模拟方法研究了纳米尺度超薄膜润滑的边界滑移现象,分别模拟考察了固液作用势、固液密度差异和温度对滑移长度的影响.结果表明:在固液作用势较强的情况下,滑移长度随着温度的增加而增大;当固液作用势较弱时,滑移长度随着温度的增加反而下降;滑移界面上、下的层状有序化差异程度是导致滑移的主要原因;应用所建立的方法可以较好地解释不同物理参数条件下的壁面滑移问题.     

疏液壁面上亲液杂质对滑移特性的影响

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.论文采用非平衡分子动力学模拟方法,研究了疏液壁面表层混入少量亲液原子时纳米通道内液体的滑移特性,并基于分子动理论解释了其影响机制.研究发现,亲液杂质(均布或集中)对液体法向密度振荡程度影响较弱,但会显著改变壁面附近类固体层的分布和液体滑移规律;随亲液杂质占比增加,液体类固体现象更趋明显,壁面处液体接触密度也线性增大,但通道内液体平均速度逐渐降低,滑移长度也迅速减小;相比于集中的亲液杂质,均匀分布亲液杂质对滑移的弱化效应更强.如当亲液杂质占比为28%时,其滑移长度比单纯疏液表面的降低率从50%扩大至56%.基于分子动理论的分析发现,亲液杂质会导致杂质原子附近第一液体层内的原子发生跃迁的能垒加大,即弱化了液体原子的流向跃迁行为,从而降低了滑移量;相比于集中杂质,均匀分布的杂质还会降低固液间的非公度性,致使滑移特性破坏更严重.     

不同润湿性纳米通道内库埃特流动的模拟

利用非平衡分子动力学模拟方法, 模拟了两无限大平行平板组成的纳米通道内的库埃特流动, 并给出了壁面润湿性和速度对流场密度、速度分布及壁面滑移的影响规律.数值模拟中, 统计系综采用微正则系综, 势能函数选用LJ/126模型, 壁面设为刚性原子壁面, 温度校正使用速度定标法, 牛顿运动方程的求解则采用文莱特算法.结果表明, 纳米通道内流体密度呈对称的衰减振荡分布, 且随壁面润湿性的降低, 振荡幅度减小, 振荡周期保持不变;滑移量随壁面润湿性的提高而降低, 甚至在亲水壁面时出现负滑移现象;随壁面速度的增加滑移速度逐渐增大, 且在流体呈现非线性流动阶段其增幅显著加大.另外, 还发现当壁面设置为超疏水性时, 壁面滑移呈现出随润湿性降低而减小的反常现象, 并基于杨氏方程对其进行了解释.     

纳米尺度下烷烃润滑薄膜分层现象和速度滑移机制的分子模拟研究

采用非平衡分子动力学模拟方法,研究了纳米尺度下十六烷润滑薄膜的分层现象和速度滑移现象,重点考察了剪切速度对速度滑移现象的影响规律,并对其中的微观机理作出了解释.研究结果表明:在铁壁面的限制情况下润滑薄膜出现了分层现象,当润滑薄膜厚度超过50?时,其中间区域呈现出体相均质流体的特征.润滑薄膜层间滑移和界面滑移的临界剪切速度分别为5.5和7.5?/ps,随着剪切速度增加,界面滑移程度增强,而层间滑移程度减弱.润滑薄膜第1和2层十六烷分子层间桥接分子数目决定层间滑移程度,随着剪切速度增加,桥接分子数目也相应增多,层间滑移程度随之减弱.     

爆炸驱动固/液介质爆炸抛撒的实验研究

针对爆炸驱动固/液介质抛撒混合过程设计了透明双层抛撒装置。采用高速运动分析系统记录抛撒装置壳体破碎和固/液界面、固/液介质抛撒形态的演变过程,结果表明:壳体裂纹的产生和断裂首先出现在轴向方向;固/液界面在外层壳体破碎之前清晰可见,表明固/液介质的混合主要发生在壳体破碎之后;导爆索驱动下呈现滑移爆轰驱力特征,介质抛撒形状呈倒圆台形,不同截面处的介质运动速度随截面到起爆端轴向距离的增大而减小。     

黏度对流固界面滑移影响的试验研究

为了研究微纳米间隙下固液界面间流体的流动及输运特性,本文改进了商用的原子力显微镜,并利用其对微纳米间隙下固液界面的边界滑移现象进行了试验研究,重点考察了流体黏度对边界滑移的影响.固体壁面样品采用Si(100)表面,试验液体采用不同黏度的去离子水和蔗糖溶液.结果表明,Si(100)表面与去离子水和蔗糖溶液作用会发生边界滑移,而且随着溶液黏度的升高,滑移长度也随之升高,表现了边界滑移与流体黏度的相关性.所得结果对于微流体输运与控制有重要的理论意义与实际价值.     

一种新型螺旋内槽管的气液固三相流数值模拟研究

针对一种新型螺旋内槽管,采用先进的计算流体力学(CFD)数值模拟方法,对管内的气(天然气)-液(水)-固(水合物)三相流流动特性进行了模拟研究。模型采用欧拉-欧拉-欧拉三流体模型结合颗粒动力学的理论,考察了不同的表观速度(0.3 m/s,0.5 m/s,0.7 m/s),水合物粒径(500μm,750μm,1000μm),气泡大小(10μm,100μm,1000μm),螺距(400mm,800mm),螺纹头数(12,20)及螺纹旋向对于管内三相流动特性的影响。通过数值计算,由于气液固三相间的密度差,在螺旋内槽的作用下,水合物和天然气在管中心位置聚集,同时管壁处的含量减小。流体表观流速和气泡越大,壁面处的水合物和天然气的体积分数越小;由于天然气的密度小于水合物和水的密度,天然气更多集中在管中心,越靠近管壁含量越少;颗粒的粒径越大,壁面处的水合物含量越少,而对于天然气的分布则影响不大;螺距越小,螺纹头数越多,螺旋流强度越大,气液固三相分离效果越好,壁面处的水合物和天然气的含量越小;同时,螺纹旋向的改变对于三相的分离效果影响较小。     

弹流接触区高压润滑油输运的实验研究

采用多光束干涉法测量了弹流接触区冲击形成的封闭润滑油的流动,研究了在弹流接触区冲击所形成的封闭润滑油核心在不同条件下的移动规律.结果表明,在纯滚动条件下,封闭润滑油以卷吸速度在接触区移动;在玻璃块纯滑动时,封闭润滑油核心的移动速度明显小于卷吸速度,而钢球纯滑动时润滑油核心的移动速度大于卷吸速度.可见在弹流接触中壁面滑移的存在,该滑移是由润滑油在界面处应力超过其与固体壁面的亲合力所引起的.     

不同壁面取向下超疏水平面直轨道上的气泡滑移

利用特定几何分布的超疏水表面实现气泡定向输运在矿物浮选和生物孵化等领域具有广阔的应用前景, 对平面直线超疏水轨道而言, 其壁面取向是相关工程结构的关键参数, 但超疏水壁面取向对倾斜壁面气泡滑移的影响尚不明确. 本文采用高速阴影成像系统研究了不同壁面取向($-90^\circ\leqslant \beta \leqslant 90^\circ$)及轨道倾角($45^\circ\leqslant \alpha \leqslant 75^\circ$)下, 气泡($D_{eq}=2.4$ mm, $Re=500$ $\sim$ 700, $We=7$ $\sim$ 13)在轨道宽度为2 mm的超疏水直线轨道上的运动特性. 气泡在轨道上的滑移近似为匀速, 形状为具有多脊的半子弹型. 根据气液界面波动程度的不同, 滑移气泡可分为波动型和稳定型, 稳定型气泡只在较小倾角且较大方位角时出现($45^\circ\leqslant \alpha < 70^\circ$, $| \beta | \geqslant 45^\circ$). 根据倾角不同, 滑移速度关于$\beta $有2种变化规律: 当$\alpha \leqslant 65^\circ$, 气泡滑移速度近似为关于$\beta =0^\circ$ 的单峰分布($\beta =0^\circ$时, 气泡滑移速度最大); 当$\alpha \geqslant 70^\circ$, 气泡滑移速度在不同的方位角下基本保持稳定. 气泡的最大滑移速度可达0.66 m/s ($\beta =0^\circ$, $\alpha =70^\circ$), 远大于相同尺度的自由上升气泡($\approx0.25$ m/s), 这主要是壁面浸润性分布和惯性力的耦合效应所致. 轨道取向(方位角$\beta )$及轨道倾角($\alpha )$通过改变气泡沿轨道方向的驱动力和气泡迎风面积影响气泡的滑移速度和气液界面稳定性.      

固液润湿性对流体动压润滑薄膜的影响

利用自行开发的微型面接触润滑油膜测量系统,研究了固液润湿性对流体动压润滑油膜厚度的影响.试验中以静止的微型滑块平面和旋转的光学透明圆盘平面形成润滑副.固液的润湿性通过接触角判定,不同材料的微滑块平面和润滑液体形成不同的界面.在保持载荷和面接触楔形角不变的条件下对油膜厚度-速度关系进行了测量.结果表明:对于固液润湿性强的界面,形成的油膜厚度与经典润滑理论有较好的一致性;当固液润湿性明显降低时,测量得到的油膜厚度减小.对于试验中观察到的界面效应,应用界面滑移理论进行了初步分析.