两类润滑剂物性参数和摩擦系数的高通量分子动力学计算

提出了离子液体和酯类化合物两类润滑剂物性参数和摩擦系数的高通量分子动力学计算框架,建立了通过分子几何拓扑结构-力场参数分配-分子模型构建-参数计算的全流程高通量方法,利用充足的计算资源,可以实现万级规模的高通量并发计算. 创新性地提出了两层高通量并发-并行算法:第一层将润滑剂库分块,每一块并发计算;第二层单个润滑剂采用多CPU并行计算,大大提高了计算效率. 以离子液体为例测试了高通量算法和代码,最大进行了100级高通量计算,结果表明,该高通量算法具有很好的稳定性和计算效率,得到的物性参数和摩擦系数与实验值相吻合.      

水滴撞击结冰过程的分子动力学模拟

利用三维分子动力学模拟方法,研究了纳米尺度水滴撞击冷壁面的结冰过程.数值模拟中,统计系统采用微正则系综,势能函数选用TIP4P/ice模型,温度校正使用速度定标法,牛顿运动方程的求解采用文莱特算法,水滴内部结冰过程则通过统计垂直方向水分子温度分布来判定.研究发现,当冷壁面温度降低时,水滴完全结冰的时间减小,但水滴降至壁面温度的时间却增大;同时随着壁面亲水性降低,水滴内部热传递速度减慢(尤其是冷壁面与水滴底端分子层间),水滴内部温度趋于均匀,但水滴完全结冰时间延长.     

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.     

Molecular dynamics simulations of the nano-droplet impact process on hydrophobic surfaces

Large-scale molecular dynamics simulations are used to study the dynamic processes of a nano-droplet impacting on hydrophobic surfaces at a microscopic level. Both the impact phenomena and the velocity distributions are recorded and analyzed. According to the simulation results, similar phenomena are obtained to those in macro-experiments. Impact velocity affects the spread process to a greater degree than at a level of contact angle when the velocity is relatively high. The velocity distribution along the X axis during spread is wave-like, either W- or M-shaped, and the velocity at each point is oscillatory; while the edges have the highest spread velocity and there are crests in the distribution curve which shift toward the edges over time. The distribution along the Y axis is 〈- or 〉-shaped, and the segments above the middle have the lowest decrease rate in the spreading process and the highest increase rate in the retraction process.     

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     

基于润湿阶跃的水下大尺度气膜封存方法

超疏水表面水下减阻效果通常与其微结构上封存气膜的厚度和面积正相关,且气膜尺寸越大封存越困难.构造亲疏水相间表面,能在壁面形成润湿阶跃,产生约束固-气-液三相接触线移动的束缚力.通过监测切向水流作用下,润湿阶跃为54.8?,84.7?,103.6?和144.0?的亲疏水相间表面上不同面积和厚度气膜的形态发现,厘米尺度气膜可被长时间稳定封存,且气膜破坏的临界流速随润湿阶跃和气膜厚度的增加而升高,随气膜迎流宽度增加而降低.同时,该方法封存的气膜上能产生显著滑移量,尺寸0.6 cm×0.5 cm×0.15 cm的气膜上即可产生约占主流速度25%的稳定滑移速度.期待该气膜封存方法能进一步提升超疏水表面水下减阻技术性能.     

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.