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.      

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（500 μm,750 μm,1000 μm）,气泡大小（10 μm,100 μm,1000 μm）,螺距（400 mm,800 mm）,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。     

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.     

滑滚表面间的流体膜壁面滑移和流体动力学

经典雷诺润滑理论建立在无壁面滑移的假设基础之上。近年来许多试验报告了发生在流体膜流动的壁面滑移证据。本文研究了两固体表面间的流体膜流动特性和流体动力学,发现壁面滑移显著影响膜的流体动力学问题,流体动压力不仅受黏度和几何间隙的影响,而且还由壁面滑移和表面运动强力控制,通过控制表面的吸附性质,甚至可以得到零摩擦表面。另一方面,如果两个表面具有相同的滑移特性,存在一个临界滑动速度使得流体动压效应完全消失;但是在纯滚动条件下,即使界面极限剪应力很小,仍然有相当可观的流体动压效应。     

纳米尺度通道内的界面流体粘性研究

含液微纳米孔隙在自然界中普遍存在,在发展 日趋精密化、微型化的工业中也有着广泛的应用,深刻理解流体在微纳米通道内的物性变化对于相关自然现象以及工业应用具有重要的指导意义.本文基于分子动力学方法,建立了由金属铂板构成的二维纳米尺度通道分子模型,分别考察了受限Lennard-Jones流体和水的物性变化.根据密度、剪切应力和粘性在通道高度方向的分布情况,确定了两种流体的边界层厚度约为4.8 ?和4.6 ?.针对边界层内的流体,发现界面流体的粘性相比宏观尺度体态流体粘性明显提高,且随着固-液相互作用强度的增加而增加,但随着通道壁面晶格常数的增加而减少.基于计算结果,给出了由接触角表征的具有一定普适性的流体界面粘性计算公式.研究工作为微纳米尺度通道输运性能及其调控提供了有价值的参考和指导.     

物面引射对滑移边界条件的影响1)

讨论壁面有引射的滑移边界条件的提法.利用Chapman-Enskog速度分布函数,通过分析Knudsen层外缘和壁面处的质量、动量和能量等通量守恒,得到了有壁面引射的多组元气体有催化反应的 壁面滑移边界条件方程组.利用粘性激波层方程和所得的边界条件对钝头体绕流驻点区的流场进行了计 算,讨论了物面引射对边界上诸量及流场的影响.     

物面引射对滑移边界条件的影响

讨论壁面有引射的滑移边界条件的提法．利用Ｃｈａｐｍａｎ Ｅｎｓｋｏｇ速度分布函数,通过分析Ｋｎｕｄｓｅｎ层外缘和壁面处的质量、动量和能量等通量守恒,得到了有壁面引射的多组元气体有催化反应的壁面滑移边界条件方程组．利用粘性激波层方程和所得的边界条件对钝头体绕流驻点区的流场进行了计算,讨论了物面引射对边界上诸量及流场的影响     

气液两相流动与固壁相互作用耦合求解的研究

气液两相流动与固壁相互作用的研究是液滴撞击壁面运动研究的重要基础.以结合了VOF和Level Set两种方法优点的用于气液相界面追踪的复合Level Set-VOF方法和利用唯象分析方法建立的能够反映接触角滞后性及壁面性质对润湿过程影响的壁面润湿模型为基础,提出了气液两相流动与固壁相互作用耦合求解流程,给出了气液两相流动与固壁相互作用耦合求解过程中接触线速度的计算方法及边界条件的确定方法.通过与已有实验结果的对比,对提出的气液两相流动与固壁相互作用耦合求解方法的有效性进行了验证.     

微液滴在PDMS软基体表面的动态摩擦行为研究

通过固液界面摩擦力测试装置研究了微液滴在PDMS软基体表面运动时的动态摩擦学行为,并对微液滴体积、滑动速度及软基体力学性能对固液界面动态摩擦行为的影响进行了分析. 结果表明:微液滴在软基体表面运动时表现出最大静摩擦力和动态摩擦力. 最大静摩擦力与微液滴黏度和速度梯度呈正比,动态摩擦力与微液滴体积、滑动速度和基体力学性能有关. 随着微液滴体积的增加,三相接触线长度增加,动态摩擦力增加;随着相对滑动速度增加,三相接触线长度及接触角滞后增加,动态摩擦力增加;随着软基体弹性模量降低,固液界面黏附力增加,固液界面运动能量耗散增加,动态摩擦力增加. 研究结果可为PDMS软基体表面微液滴的精确驱动和运动参数优化提供理论指导,也可进一步丰富固液界面摩擦理论.      

基于离散单元法和人工神经网络的近壁颗粒动力学特征研究

颗粒与壁面的相互作用往往对颗粒流动具有显著影响. 为研究颗粒与壁面作用机理, 对滚筒内颗粒流动过程进行离散单元法(DEM)数值模拟. 基于模拟结果统计分析靠近壁面处颗粒的运动特征, 结果表明, 小摩擦系数时颗粒平动和旋转速度均近似满足正态分布, 但由于壁面影响, 摩擦系数增大时颗粒沿滚筒轴向的旋转速度偏离正态分布, 颗粒动力学理论推导壁面边界条件时应考虑速度正态分布的修正及速度脉动的各向异性. 采用人工神经网络(ANN)构建了颗粒无因次旋转温度、滑移速度和平动温度之间的函数模型, 进而可以在常规双流模型壁面边界条件中考虑颗粒旋转的影响. 基于DEM模拟及结果分析可以为壁面边界条件的理论构造和半经验修正提供基础数据和封闭模型.      

模拟相变问题的精细积分边界元法

将精细积分边界元法和界面追踪法相结合求解相变问题。因为边界元法只需要将待求解空间域的边界离散,方便连续追踪移动界面位置和重构网格,所以边界元法适合应用于移动边界问题的模拟。首先,利用精细积分边界元法在固相区域和液相区域分别求解相应的瞬态热传导控制方程,从而求得温度场和边界热流密度。然后,根据固-液相变界面上的能量平衡方程,利用热流密度求得相变界面的移动速度,再采用界面追踪法预测移动相变界面的位置变化。最后,给出了几个数值算例,并通过与参考解的对比验证本文方法的准确性。     

氢键对氧化石墨烯复合结构层间剪切行为影响研究

针对氧化石墨烯层状复合结构性能优化设计要求及其对环境湿度的高敏感性,开展了氧化石墨烯在湿润环境下的层间剪切行为研究。首先,采用连续力学理论,获取不同氧化浓度时氧化石墨烯层状结构层间粘结能、层间氢键相互作用能及剪切应力表达式;所获得的层间能量理论值与分子动力学模拟结果基本一致。其次,通过在氧化石墨烯层间加入不同含量水分子和改变氧化浓度,调控层间氢键网络密度,以改善氧化石墨烯复合结构的界面力学性能。研究结果表明,增加氧化浓度有效增加了层间氢键网络密度,从而提高了氧化石墨烯层间剪切强度。但当氧化石墨烯为有限尺寸时,氧化浓度存在最佳值,在达到该值后氧化石墨烯剪切强度将基本保持不变。此时,在氧化石墨烯层间再引入水分子可进一步增强其剪切强度,且含水量亦存在最佳值。总之,本研究提出了一种氢键能量的简便数值计算方法,阐述了层间氢键网络密度对氧化石墨烯复合结构层间剪切性能影响的机理,并提出两种提升其层间力学性能的途径,为氧化石墨烯基复合结构性能优化设计提供了一定的参考。