粗糙纳通道内流体流动与传热的分子动力学模拟研究

为研究粗糙表面对纳尺度流体流动和传热及其流固界面速度滑移与温度阶跃的影响,本文建立了粗糙纳通道内流体流动和传热耦合过程的分子动力学模型,模拟研究了粗糙通道内流体的微观结构、速度和温度分布、速度滑移和温度阶跃并与光滑通道进行了比较,并分析了固液相互作用强度和壁面刚度对界面处速度滑移和温度阶跃的影响规律. 研究结果表明,在外力作用下,纳通道主流区域的速度分布呈抛物线分布,由于流体流动导致的黏性耗散使得纳通道内的温度分布呈四次方分布. 并且,在固体壁面处存在速度滑移与温度阶跃. 表面粗糙度的存在使得流体剪切流动产生了额外的黏性耗散,使得粗糙纳通道内的流体速度水平小于光滑通道,温度水平高于光滑通道,并且粗糙表面的速度滑移与温度阶跃均小于光滑通道. 另外,固液相互作用强度的增大和壁面刚度的减小均可导致界面处速度滑移和温度阶跃程度降低. 关键词： 速度滑移 温度阶跃 流固界面 粗糙度     

FV-MD耦合算法在微通道流动研究中的应用

本文采用有限容积(FV)-分子动力学(MD)耦合算法对微通道内的液体流动进行了模拟研究.分析了通道宽度以及流固作用势强度对流体流动形式和壁面滑移速度的影响.结果显示:通道宽度减小与流固作用势的减弱都会使速度分布与宏观尺度下的分析解出现更大偏离,滑移速度与滑移长度明显增加.对于流体为液体氩,壁面为金属铂的工况条件,当通道宽度超过约0.6μm时,滑移速度不足最大流速的0.5%,滑移长度不足通道宽度的0.2%.     

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.     

Al表面的"类液"结构及其自扩散通道

应用分子动力学方法,采用嵌入势模型在熔点下和熔点上对Al(001),(110)和(111)表面的原子结构和自扩散现象进行研究.发现这些表面的第一层原子在低于熔点时,Al(110)面在700±10 K,Al(001)面在 860±10 K,Al(111)面在 930±10 K呈现明显自扩散且最终转变为"类液"结构,而其余各层仍保留有序状态.对这种"类液"结构进行均方位移、结构有序参数、径向分布函数和z向粒子密度分析,发现其结构和扩散行为与熔化的Al表面不同,并能在一定温度区间稳定存在.在"类液 关键词： 表面结构 分子动力学 自扩散     

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     

液态锂综合实验平台中液态锂流面与氩等离子体相互作用

介绍了由锂回路、直线等离子体装置及液态锂净化系统等组成的液态锂综合实验回路平台。研究了液态锂与高密度等离子体相互作用、液态锂与结构材料相容性、液态锂净化和液态锂回路热工水力学参数测量等问题。实验结果表明,流动液态锂的蒸发速率与放电电流、氩气流量及磁场强度呈正相关关系。由流动液态锂产生的锂蒸气在轴向分布不具规律性,在径向分布呈高斯分布。流动液态锂的蒸发速率随着实验时间的增长逐渐升高,并趋于稳定。磁场抑制了液态锂的流动性。在磁场和等离子体长时间的作用下,流动液态锂表面生成一层很薄的氧化锂。     

液态锂回路的研究及实验

在对国内外液态锂回路研究综述的基础上,重点介绍了四川大学流动液态锂回路的研究进展。为开展等离子体与流动自由液态锂表面相互作用的研究而设计了该回路,其目标是：(1) 获得稳定、均匀的流动自由液态锂表面;(2) 研究等离子体辐照下液态锂的蒸发、溅射以及氢、氢同位素和氦在液态锂中的滞留行为;(3) 研究等离子体辐照下液态锂与结构材料的相容性。系统包括液态锂循环部分和直线高密度等离子体发生装置。     

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在对国内外液态锂回路研究综述的基础上,重点介绍了四川大学流动液态锂回路的研究进展。为开展等离子体与流动自由液态锂表面相互作用的研究而设计了该回路,其目标是：(1)获得稳定、均匀的流动自由液态锂表面;(2)研究等离子体辐照下液态锂的蒸发、溅射以及氢、氢同位素和氦在液态锂中的滞留行为;(3)研究等离子体辐照下液态锂与结构材料的相容性。系统包括液态锂循环部分和直线高密度等离子体发生装置。     

液态锂综合实验平台中液态锂流面与氩等离子体相互作用

介绍了由锂回路、直线等离子体装置及液态锂净化系统等组成的液态锂综合实验回路平台。研究了液态锂与高密度等离子体相互作用、液态锂与结构材料相容性、液态锂净化和液态锂回路热工水力学参数测量等问题。实验结果表明,流动液态锂的蒸发速率与放电电流、氩气流量及磁场强度呈正相关关系。由流动液态锂产生的锂蒸气在轴向分布不具规律性,在径向分布呈高斯分布。流动液态锂的蒸发速率随着实验时间的增长逐渐升高,并趋于稳定。磁场抑制了液态锂的流动性。在磁场和等离子体长时间的作用下,流动液态锂表面生成一层很薄的氧化锂。     

非均匀导电壁对DCLL通道液态金属传热的影响

包层是核聚变堆中能量转换的关键部件。本文对包层通道中"磁-热-流-固"多物理场进行耦合仿真,研究了改变流道插件(Flow Channel Insert,FCI)和第一壁导电率分布对双冷锂铅包层通道内液态金属的流动与传热特性的影响。结果显示,绝缘条的加入降低了主流在绝缘条壁面附近温度,最高降温达到了15 K.入口速度和磁场强度的增加会减弱绝缘条对通道传热的影响;有流道插件通道加入导电条后,通道在Y方向上温度的不均匀分布得到改善,导电条对通道传热影响的程度随着入口速度的增大而愈加显著。     

Atomic simulations for configurations and solid-liquid interface of Li-Fe and Li-Cu icosahedra

The melting point of Li is lower than that of Fe (or Cu); thus, solid-liquid interfaces can be easily formed on Li-Fe and Li-Cu nanoalloys. In this work, the configurations and solid-liquid interfaces of Li-Fe and Li-Cu icosahedra are studied using Monte Carlo and molecular dynamics methods. The atomic interactions are described by the analytic embedded-atom method. The dependence of composition, temperature, and nanoparticle size on the configurations and thermal stabilities of nanoalloys is discussed. The behavior of the Li-Fe and Li-Cu nanoalloys in segregation, configuration, and thermal stability is investigated. A different behavior of surface segregation of Li atoms is observed for the two types of nanoalloys. The interface between the Li and Fe atoms is clear. Mixing of Li with Cu at larger nanoparticle sizes is found because of low heat of formation in the system. The configurations of the Li-Fe and Li-Cu nanoalloys are related to the competition between surface segregation and alloying. The thermal stability of Li in the two types of nanoalloys is enhanced by the support of the Fe (or Cu) solid substrate.     

Cu 表面性质的第一性原理分析

采用第一性原理赝势平面波方法, 计算并详细分析了面心立方Cu晶体及其 (100), (110) 和 (111) 这3个低指数表面的原子结构、 表面能量及表面电子态密度. 表面能的计算结果表明, Cu (111) 表面的结构稳定性最好, Cu (100) 表面次之, Cu (110)表面的结构稳定性最差. 3个表面的表面原子弛豫量随着层数的增加而逐渐减弱. Cu (110) 表面的最表层原子相对收缩最大, Cu (100)表面次之, Cu (111) 表面的最表层原子相对收缩最小. 表面原子弛豫不仅引起表面几何结构的变化, 而且使表面层原子的电子态密度峰形相对晶体内部发生变化, 这是表面能产生的主要原因, 而Cu (110)表面相对于Cu (100)与Cu (111)表面具有高表面活性的主要原因则源于其表面层原子电子态密度在高能级处的波峰相对晶体内部显著的升高. 关键词： Cu 晶体 表面结构 表面能 态密度     

复杂结构微流体芯片中的瞬态流型研究

在低质量流速和高热流密度下,对复杂结构微流体芯片中的流动沸腾进行了瞬态流型研究,发现了毫秒级微时间尺度的周期性流型和微通道中的分层流.在单个微通道区域,液膜沿流动方向逐渐增厚且蒸干总是首先发生在其上游区域,而在不同微通道区域间,下游微通道首先蒸干.分析表明,液相弗劳德数(Froude number)较低是微通道中分层流存在的原因.高沸腾数(Boiling number)引起汽液界面较大的剪切应力从而使液体不断向微通道出口处聚集,引起液膜厚度沿流动方向逐渐增厚.     

锂薄膜的第一性原理计算:量子尺寸效应和原子氢的吸附

采用第一性原理方法计算Li（110）、（100）和（111）三个表面方向3至30层自由薄膜的表面能和氢原子的吸附能.随着层厚变化出现量子振荡现象,即量子尺寸效应.重点计算Li（110）表面吸附氢原子吸附高度、吸附氢原子前后费米能级处的态密度和功函数.这些量都随着层厚变化出现明显的量子振荡,且与表面能或吸附能的振荡有明显的相关性.计算发现Li（110）薄膜表面的功函数由于吸附氢原子而降低了约0.9 eV,吸附的氢原子拉低了最外层Li原子和真空层的静电势,导致吸附氢原子后功函数下降.     

Ab initio investigation of the mechanical properties of copper

Employing the ab initio total energy method based on the density functional theory with the generalized gradient approximation, we have systematically investigated the theoretical mechanical properties of copper (Cu). The theoretical tensile strengths are calculated to be 25.3 GPa, 5.9 GPa, and 37.6 GPa for the fcc Cu single crystal in the [001], [110], and [111] directions, respectively. Among the three directions, the [110] direction is the weakest one due to the occurrence of structure transition at the lower strain and the weakest interaction of atoms between the (110) planes, while the [111] direction is the strongest direction because of the strongest interaction of atoms between the (111) planes. In terms of the elastic constants of Cu single crystal, we also estimate some mechanical quantities of polycrystalline Cu, including bulk modulus B, shear modulus G, Young’s modulus E p , and Poisson’s ratio ν.     

第一性原理研究Al-Cu-Li合金中T1相的腐蚀机理

利用密度泛函理论的第一性原理,讨论Al-Cu-Li合金中主要析出相T1相(Al6Cu4Li3)的表面性质,计算不同终结面的表面能和表面电子功函数,并探讨应力作用和常见合金元素对Al/T1界面的影响.结果表明:T1相的表面能与表面的原子排列有关,不同的表面通过应变释放重构,进而获得不同的表面能.表面电子功函数则与表面原子种类有关,由于Li的电负性最小,含Li原子的表面通常有较低的电子功函数,进而降低材料的耐蚀性.此外,在应力作用下,T1相一些表面的电子功函数变化与纯金属是相反的.压应力下T1相电子功函数降低,材料更加容易被腐蚀;张应力下T1相功函数增加,材料更加耐腐蚀.同时,通过计算Al/T1界面中Ag,Zn和Mg 3种合金元素的替位能,可以发现,这3种元素都有利于降低界面能,且Ag的作用最明显.     

Ab-initio study of the coadsorption of Li and H on Pt(001), Pt(110) and Pt(111) surfaces

The coadsorption of Li and H atoms on Pt(001), Pt(110) and Pt(111) surfaces is studied using density functional theory with generalised gradient approximation. In all calculations Li, H and the two topmost layers of the metal were allowed to relax. At coverage of 0.25 mono-layer in a p(2×2) unit cell, lithium adsorption at the hollow site for the three surfaces is favoured over top and bridge sites. The most favoured adsorption sites for H atom on the Pt(001) and Pt(110) surfaces are the top and bridge sites, while on Pt(111) surface the fcc site appears to be slightly favoured over the hcp site. The coadsorption of Li and atomic hydrogen shows that the interaction between the two adsorbates is stabilising when they are far from each other. The analysis of Li, H and Pt local density of states shows that Li strongly interacts with the Pt surfaces.     

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.     

Ab initio investigation on mechanical properties of copper

Employing the ab initio total energy method based on the density functional theory with the generalized gradient approximation, we have investigated the theoretical mechanical properties of copper (Cu) systematically. The theoretical tensile strengths are calculated to be 25.3 GPa, 5.9 GPa, and 37.6 GPa for the fcc Cu single crystal in the [001], [110], and [111] directions, respectively. Among the three directions, the [110] direction is the weakest one due to the occurrence of structure transition at the lower strain and the weakest interaction of atoms between the (110) planes, while the [111] direction is the strongest direction because of the strongest interaction of atoms between the (111) planes. In terms of the elastic constants of Cu single crystal, we also estimate some mechanical quantities of polycrystalline Cu, including bulk modulus B, shear modulus G, Young's modulus E_p, and Poisson's ratio ν.     

Role of the 2D surface state continuum and projected band gap in charge transfer in front of a Cu(111) surface

Electron capture by Li+ and H projectiles in grazing scattering from Cu(111) and Cu(110) surfaces is studied experimentally and theoretically. Whereas data for Cu(110) can be described by established theoretical methods treating resonant charge transfer with a free-electron metal, data for Cu(111) show pronounced deviations from this approach. We interpret our observations by the effect of the projected L-band gap of the Cu(111) surface. In particular, the quantum states of reduced dimension (2D surface state continuum) play a dominant role in electron transfer.