纳米结构及浸润性对液滴润湿行为的影响

液滴在纳米结构表面的润湿模式研究(Dewetting,Cassie,Partial Wenzel及Wenzel)对强化冷凝、表面自清洁、油水分离等具有重要意义,现有文献主要研究了液滴在微柱阵列纳米结构表面的润湿行为.本文采用分子动力学模拟,研究了纳米结构倾角及表面浸润性对氩液滴在铂固体壁面上润湿模式及其相互转换的影响,...     

不同冷速下SiGe纳米液滴快速凝固过程中的微观结构演变

采用分子动力学方法模拟了7种不同冷速下Si50Ge50纳米液滴快速凝固过程,利用双体分布函数、原子平均能量、最大标准团簇分析法、键角分布函数、二面角分布及可视化方法等对体系微观结构的演变进行了分析。研究结果表明: 当冷速R≥1×1010 K/s时,系统形成非晶态结构; R≤5×109 K/s时,系统形成以闪锌矿和纤锌矿结构相互嵌套的近似球形的纳米晶体,且纳米液滴起始结晶温度随冷速降低而降低。     

纳米通道壁面晶面结构对吸附影响的分子动力学模拟

本文采用分子动力学方法,模拟了流体在晶面结构为FCC100、FCC110、FCC111壁面上的吸附现象,结果表明壁面结构对粒子的吸附有较大的影响.在相同的条件下,三种晶面结构的吸附区产生的吸附作用力不相同,FCC110结构壁面的吸附粒子更贴近壁面,FCC111结构壁面吸附的粒子最多.在纳米尺度下定义壁面相对光滑度来表征...     

纳米液滴撞击柱状固体表面动态行为的分子动力学模拟

液滴撞击固体表面是一种广泛存在于工农业生产中的现象.随着微纳技术的发展,纳米液滴撞击行为的定量描述有待完善.采用分子动力学模拟纳米水滴撞击柱状粗糙铜固体表面的动态行为.分别在液滴速度为2—15?/ps,五种方柱高度和六种固体表面特征能的情况下分析液滴的动态特征.结果表明,随着液滴初始速度V0的增加,其最终稳定状态先由C...     

正癸烷纳米液滴润湿特性的分子动力学研究

流体液滴在固体表面的浸润性对其润滑性能至关重要.本文利用分子动力学方法研究了正癸烷纳米液滴在铜表面上的润湿特性.结果表明：在平坦光滑表面上,壁面的厚度和分子数目对润湿效果影响不大.随着壁面能量势阱参数εs 增大,接触角线性减小.随着温度升高,液滴的接触角减小.在沟槽粗糙表面上,随着粗糙度因子增大,对于疏液表面,接触角增大到一定值后基本保持不变,符合Cassie理论;中性和亲液表面接触角则会减小,为Wenzel润湿模式.当表面分数增大时,疏液与亲液表面接触角整体呈减小的趋势,对中性表面影响不大.当温度升高时,粗糙疏液表面接触角会增大,润湿效果更差,而粗糙中性和亲液表面液滴润湿性会更好.     

纳米粒子与单晶硅表面碰撞的反弹机理研究

应用分子动力学方法模拟了纳米粒子与单晶硅(001)表面碰撞、反弹飞离的现象，分析了粒子的反弹行为、基体弹性形变和塑性形变的原子构型特征，以及碰撞过程的能量转化.碰撞后单晶硅表面形成半球形的小坑，小坑周围的基体原子呈非晶态.碰撞过程中与颗粒相邻的基体原子立即非晶化，在非晶层外面基体以可恢复的(111)［110］滑移结构存储弹性形变能.在射入过程，基体发生压缩弹性形变；颗粒反弹时基体势能振荡下降,交替形成压缩形变构型和拉伸形变构型.射入过程中存贮的压缩弹性形变能的释放为颗粒提供了反弹、飞离的能量. 关键词： 碰撞 纳米粒子 单晶硅表面 分子动力学模拟     

液滴撞击孔口附近壁面运动过程的模拟研究

采用光滑粒子流体动力学(SPH)方法模拟了液滴撞击带孔壁面的问题, 提出了随计算区域变化的链表搜索法. 结合实验进一步研究了不同物理条件下黏性、重力和内部压应力波动对铺展过程中液滴在 孔口运动情况的影响, 详细分析了有限时间段内孔口断面处的压强变化. 结果表明: 液滴撞击表面后快速向两端铺展, 到达孔口上方时形成射流, 在极短暂时间内重力对射流的影响很小, 但是黏性会引起射流向孔内弯曲. 在内部压应力和惯性作用下射流下部产生有规律的波动, 使得孔口上方流体反复的膨胀和吸收将附近应力较高区域流体吸入孔内发生孔吸现象. 内部压应力是导致液滴被吸入孔内并撞击另一侧孔壁形成飞溅现象的主要原因, 模拟效果和实验结果符合良好. 关键词： 液滴 带孔壁面 光滑粒子流体动力学(SPH) 链表搜索法     

液滴碰撞不同接触角线缆表面的模拟

针对常见的液滴输电线缆搭建对应的计算模型,通过Fluent内置的VOF对不同疏水性表面进行计算,讨论液滴与线缆的接触时间、铺展半径与接触角度之间的关系,并分析不同接触角下液滴的压力云图和速度矢量图。模拟计算结果显示：液滴与壁面接触的运动状态受壁面接触角的影响,液滴铺展面积和接触时间与壁面接触角呈反比关系;提高壁面接触角会降低铺展面积、减少接触时间,加快液滴的回缩、回弹,运动液滴最终滑落离开壁面;小接触角壁面铺展面积增大、接触时间增加,液滴最终完全铺展停留于壁面上。研究结果对探究不同疏水性下液滴在线缆壁面结冰的原理及特性具有一定的指导和参考意义。     

高炉渣熔融液滴撞击壁面行为特性实验研究

针对高温熔渣粒化技术的开发,本文通过可视化实验研究了高炉渣熔融液滴撞击不锈钢壁面的动态行为特性。结果表明:随液滴雷诺数增大,撞击过程液滴形态演变模式依次由铺展-回缩转变为铺展-回缩破碎和铺展-破碎-凝固;增大壁面粗糙度可减弱与壁面换热,抑制液滴铺展;减小壁面粗糙度促进液滴发生破碎;液膜回缩过程普遍出现回卷现象,壁面倾角越大,液膜回卷和液滴滚动现象越显著,且液滴铺展面积越大,在壁面停留时间越长;减小液滴雷诺数、减小壁面粗糙度并采用垂直粒化仓壁面有利于壁面防黏结。     

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.     

The Fate of a Cluster Colliding onto a Substrate Dissipation of Translational Kinetic Energy

The fate of clusters emitted onto a substrate falls into several categories including repulsion, soft landing, migration, and explosion, depending on the interaction between the cluster and the substrate. This dynamic behavior of the clusters controls thin-film formation processes from clusters such as cluster ion beam deposition and chemical vapor deposition. Here we describe the collision processes of both Al and Au clusters with a kinetic energy of 0.56 eV/atom onto an amorphous SiO₂ substrate studied by molecular dynamics simulation, focusing on the dissipation of translational kinetic energy during the collision process. The simulation elucidated that the activation of thermal vibrational energy of the substrate promoted the sticking of the colliding clusters on the substrate. This result suggests that the dissipation of the translational kinetic energy of the colliding cluster is one of the factors that determine the structure formed on a substrate from vapor phase.     

单壁碳纳米管内流体流动的手性效应

纳米尺度范围内流道分子结构形成的粗糙度将会影响其中的流体流动。本文采用分子动力学方法,以氩为工质,模拟了不同手性的单壁碳纳米管（SWCNT）内流体的流动。结果表明：由于范德瓦耳斯力的作用,流体分子与壁而间有一定的距离。可以看出在壁面附近有两个明显的分层,这是纳米流动中持有的流体密度分层现象。由于不同手性碳纳米管的分子排...     

纳米微结构表面与石墨烯薄膜的界面黏附特性研究

石墨烯性能的发挥受石墨烯表面形貌的影响,而石墨烯表面形貌则与基底密切相关.石墨烯在纳米微结构表面的吸附与剥离可以为石墨烯的功能化制备和转移提供理论基础.分子动力学模拟能提供石墨烯在纳米微结构表面的吸附构型和剥离特性等详细信息,可以弥补实验的不足.本文利用LAMMPS分子动力学模拟软件,从吸附能角度研究了石墨烯在矩形微结构表面的黏附特性,并进一步探讨了石墨烯从矩形微结构表面剥离的行为.研究表明:石墨烯的吸附构型在矩形微结构表面的转变是连续的,但由部分贴合状态向完全贴合状态的转变是一个反复的过程,当石墨烯完全贴合微结构表面时吸附能最大;从微结构表面剥离石墨烯时,剥离力会出现周期性的波动.剥离过程表现为两种形式:完全贴合时,石墨烯是直接滑过槽底;而当悬浮构型或部分贴合构型时,石墨烯是直接从微结构表面分离.本文给出了平均剥离力随微结构尺寸参数变化的理论公式,该公式与模拟结果拟合较好.此外,随着剥离角度的变大,平均剥离力先变大后变小,从平整基底表面剥离具有Stone-Wales缺陷结构的石墨烯会使剥离力变大.研究结果可为探究石墨烯在纳米微结构表面的剥离行为、揭示其黏附机理提供理论参考.     

纳米变截面结构的导热性质

采用分子动力学方法模拟了固态氩的纳米变截面结构的导热性质,研究发现纳米变截面材料的热阻和热流的大小与方向都相关:当纳米结构沿热流的方向为渐缩时,纳米结构的热阻随热流的增加而增大,而当纳米结构沿热流的方向为渐扩时,纳米结构的热阻随热流的增加呈减小的趋势;当热流较大时,热流沿渐缩方向时的热阻明显大于热流沿渐扩方向时的热阻,但当热流较小时纳米变截面结构的热阻和热流方向的关系不大.最后依据热质的运动和传递理论的动能效应对该现象进行了分析解释.     

表面纳米结构对过冷水形核的影响

采用分子动力学方法研究了电场作用下金属铝表面的不同纳米结构对过冷水形核的影响。在具有不同尺度表面结构的系统中,过冷水形核后均倾向于形成多晶结构。形核的过程不仅有六环结构的逐层生长同时也包含了冰相水分子间的聚并。此外,形核比较容易发生在亚表面层,光滑壁面附近的晶核比带结构表面附近的晶核具有更快的生长速度。     

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...     

微液滴在不同能量表面上润湿状态的分子动力学模拟

微小液滴在不同能量表面上的润湿状态对于准确预测非均相核化速率和揭示界面效应影响液滴增长微观机理具有重要意义. 通过分子动力学模拟, 研究了纳米级液滴在不同能量表面上的铺展过程和润湿形态. 结果表明, 固液界面自由能随固液作用强度增加而增加, 并呈现不同液滴铺展速率和润湿特性. 固液作用强度小于1.6的低能表面呈现疏水特征, 继续增强固液作用强度时表面变为亲水, 而固液作用强度大于3.5的高能表面上液体呈完全润湿特征. 受微尺度条件下非连续、非对称作用力影响, 微液滴气液界面存在明显波动, 呈现与宏观液滴不同的界面特征. 统计意义下, 微小液滴在不同能量表面上铺展后仍可以形成特定接触角, 该接触角随固液作用强度增加而线性减小, 模拟结果与经典润湿理论计算获得的结果呈现相似变化趋势. 模拟结果从分子尺度为核化理论中的毛细假设提供了理论支持, 揭示了液滴气液界面和接触角的波动现象, 为核化速率理论预测结果和实验测定结果之间的差异提供了定性解释.     

Structure and Dynamics of Ethanol Adsorbed on a Mica Surface

The structural and dynamic properties of nanoscale ethanol film on a mica surface are investigated via molecular dynamics simulations.We observe a dense,almost flat ethanol bilayer formed in the vicinity of the mica surface,with the hydrophobic alkyl groups pointing outward from the surface.Remarkably,such ethanol bilayer is laterally well-ordered with patterned adsorption sites.Each ethanol molecule in the first layer donates one hydrogen bond to the surface basal oxygen atoms and accepts one hydrogen bond from that in the second layer.The ethanol molecules within the bilayer exhibit constrained lateral mobility and delayed dynamics as compared with bulk ethanol,whereas those on top of the bilayer have bulk-like characteristics.     

Structure and phase transition of a two—dimensional dusty plasma

The structure and phase transition of a two-dimensional (2D) dusty plasma have been investigated in detail bymolecular dynamics simulation. Pair correlation function, static structure factor, mean square displacement, and bondangle correlation function have been calculated to characterize the structural properties. The variation of internalenergy, shear modulus, particle trajectories and structural properties with temperature has been monitored to studythe phase transition of the 2D dusty plasma system. The simulation results are in favour of a two-step continuoustransition for this kind of plasma.