液滴在气固交界面变形移动问题的光滑粒子流体动力学模拟

为准确模拟液滴在气固交界面变形移动问题,对基于连续表面张力模型的表面张力光滑粒子流体动力学方法进行了改进.改进方法采用新的边界处理方式和界面法向修正方法,即将固体边界虚粒子色函数值根据液面的位置进行相应设定以保证气-液-固三相交界处流体粒子的界面法向沿接触线法线方向,引入Brackbill提出的壁面附着力边界条件处理方法,对在气-液-固三相交界处的流体粒子及部分固体边界虚粒子的界面法向进行修正,修正前后保持法向模值不变,得到了含壁面附着力边界条件的表面张力算法.模拟了受壁面附着力影响的水槽中液面的变化过程、液滴润湿壁面过程和剪切气流驱动液滴在固体表面变形脱落过程,并与流体体积函数方法进行了对比.结果表明,该方法在处理壁面附着力问题时精度较高,稳定性较好,适合处理工程中液滴在气固交界面变形移动问题.     

纳米尺度下气泡核化生长的分子动力学研究

采用分子动力学方法模拟纳米尺度下液体在固体壁面上发生核化沸腾的过程,主要研究壁面浸润性对气泡初始核化过程和气泡生长速率的影响以及固-液界面效应在液体核化沸腾的能量传递过程中所起到的作用.研究结果发现：壁面浸润性越强,气泡在固壁处越容易核化.该结果与经典核化理论中“疏水壁面易于产生气泡”的现象产生了明显的区别.其根本原因是在纳米尺度下,固-液界面热阻效应不能被忽略.一方面,在相同的壁温下,通过增强固-液相互作用,可以显著降低界面热阻,使得热量传递效率提高,导致靠近壁面处的流体温度升高,气泡核化等待时间缩短,有利于液体沸腾核化.另一方面,气泡的生长速率随着壁面浸润性的增强而明显升高.当气泡体积生长到一定程度时,会在壁面处形成气膜,从而导致壁面传热性能恶化.因此,通过壁面的热流密度呈现出先增大后减小的规律.     

纳米流体分散稳定性的分子动力学研究初探

纳米流体的制备和分散稳定性是纳米流体研究工作的前提。本文利用平衡分子动力学模拟方法,尝试从微观角度研究纳米流体的分散稳定性。以纳米颗粒Cu在液态CO_2中的分散稳定为算例,通过跟踪每个固体分子和液体分子的位置,分别观察了颗粒周围的液体吸附现象和颗粒的团聚现象。通过改变固液分子间的引力和斥力,观察其对颗粒周围液体分子的密...     

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.     

微细通道内蒸发薄液膜区壁面滑移及微流动特性

基于扩展Young-Laplace方程和动力学理论研究微通道中蒸发薄液膜区固液界面附近流动和传热特性,考虑压力特征、壁面滑移和温度跳跃建立物理模型.利用边界层近似,提出一种计算固液界面吸附微液层热阻的方法,导得固液界面的热阻和温度.数值模拟结果表明,壁面微流动会降低毛细压力梯度,增加壁面热阻,降低液相过热度,恶化液膜铺展和传热性能,在薄液膜区不可忽略.阐明壁面微流动含义,指出滑移系数与吸附流动微液层厚度的关系.     

平衡接触角对受热液滴在水平壁面上铺展特性的影响

壁面温度是影响壁面润湿性的重要外部条件. 为解决液滴铺展中三相接触线处应力集中问题, 已有研究多采用预置液膜假设, 但无法探究壁面温度对润湿性的影响. 本文针对受热液滴在固体壁面上的铺展过程, 基于润滑理论建立了演化模型, 通过数值模拟, 从平衡接触角角度分析了温度影响壁面润湿性及铺展过程的内部机理. 研究表明: 随温度梯度增大, 液滴所受Marangoni效应增强, 致使液滴向低温区的铺展速率加快; 铺展过程中, 位于高温区的接触线与液滴主体部分间形成一层薄液膜, 重力与热毛细力先后主导该区域的铺展; 当液-固或气-液界面张力对温度的敏感度高于另两个界面时, 低温区方向的平衡接触角不断增大, 使壁面润湿性恶化, 导致液滴铺展减慢; 而当气-固界面张力对温度的敏感度高于其他两个界面时, 低温区方向上的平衡接触角将减小, 由此改善壁面润湿性, 加快液滴铺展; 在温度影响壁面润湿性和液滴铺展过程中, 平衡接触角起关键作用.     

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     

液滴在不同润湿性表面上蒸发时的动力学特性

基于润滑理论,采用滑移边界条件建立了二维液滴厚度的演化模型和移动接触线动力学模型,利用数值计算方法模拟了均匀加热基底上固着液滴蒸发时的动力学特性,分析了液-气、固-气和液-固界面张力温度敏感性对壁面润湿性和液滴动态特性的影响.结果表明,液滴的运动过程受毛细力、重力、热毛细力和蒸发的影响,重力对液滴铺展起促进作用,而毛细力、热毛细力则起抑制作用;通过改变界面张力温度敏感性系数,可使液滴蒸发过程中的接触线呈现处于钉扎或部分钉扎模式,且接触线钉扎模式下的液滴存续时间低于部分钉扎模式;提高液-气与液-固界面张力温度敏感系数均可改善壁面润湿性能,加快液滴铺展速率;而增大固-气界面张力温度敏感系数则导致壁面润湿性能恶化、延缓液滴铺展过程;通过改变固-气界面张力温度敏感系数更有利于调控处于蒸发状态下的液滴运动.     

固体表面不同微观形貌对冷凝过程的影响

固壁表面发生的冷凝过程广泛存在于工程领域中,具有重要的研究意义.本文采用分子动力学模拟方法,对氩气在光滑/粗糙铂金属壁面的冷凝过程进行了研究,观察了近壁面区内液体的层状和网状密度分布特征及固液界面处的温度跳跃现象,前者是由固体表面作用势所致,后者则是分子热运动在微尺度固液界面区域所呈现的特殊现象.通过对不同工况模拟结果及系统内传热传质特性的分析发现,随着壁面凸起高度的增加,流固接触面积增大,接触热阻减小,换热效果得到了强化;凝结过程换热量随凸起高度的增加呈增长趋势;热量传递过程中,相变潜热量始终占总传热量的60%左右.     

改性疏水固壁润湿性反转现象的格子Boltzmann方法模拟

基于疏水固壁改性会引起润湿性反转的特点,采用考虑固体与液体间分子力的格子Boltzmann方法,从壁面的线性和瞬时改性两方面对润湿性反转现象进行了数值模拟,并结合流体体积方法处理界面层质量.结果表明:壁面线性改性的过程中润湿性反转变化平稳,润湿所需时间大幅减少,所得到的接触角与固液吸引力系数的关系与其他文献结果一致;壁面瞬时改性幅度越大说明固壁对液滴作用力越强,表现为润湿性变化越明显,瞬时改性后接触角随时间呈指数规律变化,这与现有结论相符合.研究发现:在改性条件下液膜铺展过程中伴随着振荡变化,线性改性的振动峰值与改性幅度相关;瞬时改性的液膜速度会在某一时刻突然增大,这种现象与夹带空气有关.     

Asymmetric heat conduction in nonlinear lattices

In this Letter, we conduct an extensive study of the two-segment Frenkel-Kontorova model. We show that the rectification effect of the heat flux reported in recent literature is possible only in the weak interfacial coupling limit. The rectification effect will be reversed when the properties of the interface and the system size change. These two types of asymmetric heat conduction are governed by different mechanisms though both are induced by nonlinearity. An intuitive physical picture is proposed to interpret the reversal of the rectification effect. Since asymmetric heat conduction depends critically on the properties of the interface and the system size, it is probably not an easy task to fabricate a thermal rectifier or thermal diode in practice.     

考虑界面接触热阻的一维复合结构的热整流机理

建立了考虑变截面、变热导率及界面接触热阻效应的组合热整流结构的温度场及热整流系数的理论模型和有限元解.数值算例证明了本文模型及算法的可靠性,进而通过参数影响研究确定了若干几何及材料参数对结构热整流系数的影响规律,揭示界面接触热阻对热整流效果的影响机理.研究结果表明长度比、截面半径变化率、热导率、边界条件温差和界面接触热阻等因素必须通过优化设计才能得到最大的热整流系数,同时界面接触热阻的引入也为调控热整流系数提供了一条新的途径.     

Photonic Thermal Rectification with Composite Metamaterials

We demonstrate strong photonic thermal rectification effect between polar dielectrics plate and the composite metamaterials containing nonspherical polar dielectric nanoparticles with small volume fractions.Thermal rectification efficiency is found to be adjusted by the volume fractions and the nanoparticles’shape,and it can be as large as 80%when the polar dielectric nanoparticles are spherical in shape and are in the dilute limit with the volume fraction f=0.01.Physically,there exists strong electromagnetic coupling between the surface phonon polariton mode of polar dielectrics plate and the localized surface phonon polariton mode around polar dielectric nanoparticles.The results provide alternative new freedom for regulating energy flow and heat rectification efficiency in the near field,and may be helpful for design of multiparameter adjustable thermal diodes.     

Numerical investigation on thermal conductivity and thermal rectification in graphene through nitrogen-doping engineering

The aim of this article is to provide a systematic evaluation to perform characteristics on the thermal conductivity and thermal rectification of nitrogen-doped graphene (NDG). Two different structural models about nitrogen-doped graphene (NDG) are constructed by considering nitrogen atomic arrangement. It indicates that thermal conductivity of the graphene decreases because of N-doping and different doped configurations. Thermal rectification of the triangular single-nitrogen-doped graphene (SNDG) decreases with an increasing temperature. However, thermal rectification of the parallel various–nitrogen-doped graphene (VNDG) remains unchanged. The phenomenon of thermal rectification exits in SNDG. It implies that the SNDG might be a potential promising structure for thermal rectifier by controlling the nitrogen-doped model.     

热整流效应的消失与翻转现象

研究了热整流器模型当中碰撞效应对其热传导性质,尤其是热整流效应的影响:碰撞会引起声子能带的交叠.在高温区,发现在考虑了粒子间的碰撞之后,声子能带会有明显的重叠,热整流效应会被削弱甚至消失.而在低温区,由于交换热源时,碰撞效应对声子能带交叠的贡献存在差别,因而出现了翻转的热整流效应.结果表明在设计热整流器件时,必须要考虑碰撞效应的影响.     

异质结碳纳米管的热整流效率

采用非平衡分子动力学方法, 通过分别控制异质结碳纳米管管径、手性和平均温度的方式研究了异质结碳纳米管的热整流效应. 研究表明, 随着异质结碳纳米管两端几何不对称性的增强, 其热整流效率会随之上升, 而异质结碳纳米管两端的手性的改变和夹角的大小都会对热整流效率产生一定的影响. 热整流效率会随着碳纳米管平均温度的上升而下降. 研究异质结碳纳米管热整流效率对于热二极管、碳纳米散热元器件等潜在应用价值有理论指导作用.     

Unexpected large thermal rectification in asymmetric grain boundary of graphene

We have investigated the lattice thermal transport across the asymmetric tilt grain boundary between armchair and zigzag graphene by nonequilibrium molecular dynamics (NEMD). We have observed significant temperature drop and ultra-low temperature-dependent thermal boundary resistance. More importantly, we find an unexpected thermal rectification phenomenon. The thermal conductivity and Kapitza conductance is direction-dependent. The effect of thermal rectification could be amplified by increasing the difference of temperature imposed on two sides. Our results propose a promising kind of thermal rectifier and phonon diodes based on polycrystalline graphene without delicate manipulation of the atomic structure.     

Thermal rectification in nonmetallic solid junctions: Effect of Kapitza resistance

Based on Fourier's law for heat conduction, we investigate the asymmetric heat flow in two segment rods of nonmetallic materials. Specifically, we study the effect of the Kapitza resistance at the boundary of the segments on the thermal rectification. To understand basic features of the rectification, we first develop analytical calculation for the heat currents in an ideal rod of a macroscopic length. Explicitly, this is made by assuming that the thermal conductivity of each constituent has a power-law dependence on temperature and also assuming the continuity of temperature at the boundary. Then, we introduce the temperature jump at the boundary due to the Kapitza resistance and show that this effect on the thermal rectification becomes significant as the length of the rod decreases typically to submillimeters. In particular, we find that the temperature jump yields a finite rectification even when no asymmetry is predicted in the heat currents from the continuity of temperature at the junction. The obtained results have an important implication for the analysis of the thermal rectification of a rod consisting of semiconductors Ge and Si.     

非对称双链分子结构的热整流效应

采用非平衡分子动力学方法,研究由Frenkel-Kontorova模型构建的非对称双链分子结构体系,并考察了温度、链内耦合强度、链间耦合强度以及系统尺寸对体系的热整流效应的影响. 研究表明,低温下非对称双链体系表现出热整流效应;在一定的范围内,链间的耦合和链内的耦合强度越强,体系的热整流效果就越好;随着系统尺寸的增大,热整流效率先减小后增加,最后达到稳定. 非对称双链结构的链接粒子的功率谱行为与单链情形相似,其可以用于对热整流效应的解释. 关键词： 双链分子结构 热整流 Frenkel-Kontorova模型 链间相互作用     

带孔硅纳米薄膜热整流及声子散射特性研究

本文基于非平衡的分子动力学模拟方法计算了带有三角形孔的硅纳米薄膜的界面热阻特性,结果表明300-1100 K范围内随着热流方向的改变,在含有三角形孔的硅纳米薄膜中存在热整流效应,热整流系数达28％.同时借助于声子波包动力学模拟方法,获得了不同频率下的纵波声子在三角形孔处的散射特性,结果表明纵波声子在散射过程中产生了横波声子,并且从三角形底部向顶部入射的声子能量透射系数比反向时平均低22％.不对称结构引起的声子透射率的差异是引起热整流效应的主要因素.