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...     

电场下液滴合并自弹跳行为的分子动力学研究

在工程上通常利用滴状冷凝提高冷凝换热效率、进而强化传热.而当冷凝液滴发生合并自弹跳时,冷凝换热系数是传统滴状冷凝的1.3至1.5倍,因此液滴合并自弹跳现象对冷凝传热强化的贡献是非常大的.一些宏观实验和理论研究表明,加入外电场能进一步促进冷凝液滴合并自弹跳的频率和高度,但在纳米尺度下是否仍遵守这一规律还未可知,因此本文使...     

纳米液滴蒸发过程的分子动力学模拟

本文从分子水平对纳米氮液滴蒸发的微观过程进行了分子动力学研究,其中液氮分子间采用球形截断的LJ势能函数.从微观模拟信息中获取了相应的宏观性质,示出了液滴在蒸发过程中的分子位形的变、密度分布、双体分布函数和压力分布,探究了纳米液滴在蒸发过程中界面现象的物理机理.     

悬垂液滴研究及表面张力和润湿角测定

对光滑固体表面下悬挂的液滴进行了理论分析,建立了悬垂液滴特征尺寸R和H与液滴表面张力σL和固液界面润湿角θ之间的关系式,计算发现对于特定的ρ,σL,θ值,液滴质量m与固液界面润湿半径R、液滴高度H满足特殊的曲线关系.利用此关系可以同时测量液滴的表面张力σL以及固液界面间的润湿角θ.     

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.     

液滴溅落问题的光滑粒子动力学模拟

对传统的光滑粒子动力学方法进行了改进, 改进的光滑粒子动力学方法对传统粒子方法中的核近似式和粒子近似式进行了修正, 采用Riemann 算法求解光滑粒子动力学流体控制方程, 添加了表面张力的计算程序, 考虑了表面张力对液滴溅落的影响. 应用改进的光滑粒子动力学方法对液滴静止状态下冲击液面的飞溅过程进行了数值模拟. 计算结果表明, 改进的光滑粒子动力学方法能够有效地描述液滴溅落液面的动力学特性和自由表面变化特征, 能够得到稳定精度的结果.     

结构高度对纳米液滴碰撞壁面过程的影响

液滴与壁面的碰撞过程广泛存在于自然界以及各类生产生活中,探究其传热传质作用机理以及形态演变对发展表面自清洁、喷墨打印、强化滴状冷凝、抗结冰结霜等技术都具有重要意义。为了探究结构高度在碰撞过程中的作用,本文通过分子动力学模拟对纳米液滴与壁面的碰撞过程进行了研究。构建了具有方柱状结构的粗糙表面模型,研究了壁面上纳米柱状结构的高度对碰撞过程的影响,记录了液滴的变形过程,并对相关的动力学特征以及能量变化进行了分析。     

液滴在润湿梯度表面运动的分子动力学模拟

本文进行了液滴在不同润湿梯度表面运动的分子动力学模拟,通过改变Lennard-Jones(LJ)势参数来实现表面的不同润湿性。模拟结果表明在润湿梯度差为10°的界面上,疏水表面的液滴运动更快,达到最终界面所需时间最短,并且液滴运动方向距离最远。当润湿梯度差为20°和30°时,液滴在疏水表面工况的运动速度与从疏水跨越到亲水的工况之间的差距越来越小,并且液滴在从疏水跨越到亲水的工况达到了最远的运动距离。同时,润湿梯度差的增加也引起了液滴运动速度的增大。     

微液滴振荡过程的光滑粒子动力学方法数值模拟

本文对传统的光滑粒子动力学方法进行了改进, 改进的光滑粒子动力学方法对传统粒子方法中的核梯度进行了修正, 采用了一种新型的核函数和离散格式, 应用改进的光滑粒子动力学方法对微液滴振荡过程进行了数值研究. 研究了不同纵横比和雷诺数(Re)下振荡阻尼与振荡的周期、振幅与Re数的关系. 研究表明: 对于纵横比λ≤ 4时的微液滴振荡过程, 其他参数恒定不变的前提下, Re数越大, 液滴形状变化越剧烈, 波的阻尼作用越弱, 液滴振荡周期变长; 在Re数一定的前提下, 随着液滴初始的纵横比的增大, 液滴振动的振幅增大, 液滴振荡的周期变长.     

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.     

气溶胶抛撒过程中首次破碎液滴的尺寸分布

对气溶胶爆炸抛撒过程中,首次破碎液滴的尺寸分布进行理论和数值研究.基于热力学第二定律的最大熵增理论,建立首次破碎过程满足的方程组约束条件,给出破碎后液滴尺寸分布的确定方法,并对Air-blast喷管实验和Samirant相关实验进行数值模拟预测,与实验数据符合较好.     

石墨烯纳米孔道内受限水介电常数影响因素的分子动力学模拟

受限水的介电特性对于石墨烯电容器的储能效率有着重大的影响.因此本文使用分子动力模方法,研究了不同石墨烯纳米孔道宽度(0.812～10 nm)下内受限水介电常数的分布及其影响因素.结果表明,在石墨烯纳米孔道内部受限水双电层结构可分为空隙层、界面层和体相层三个部分.其整体的介电常数随孔道大小的降低而线性减少.这是由内部体相层的宽度的降低而导致的.此外电极电压大小和石墨烯-水相互作用参数ε_CO的强弱也会显著改变电极表面的双电层(Electric Double Layers, EDLs)结构.其中电压的增大使得介电常数分布的震荡的程度也随之增加,最终导致了整体介电常数的减小.与之类似,亲水态的石墨烯表面(高ε_CO)下受限水分布的震荡程度也显著增加,这导致了整体介电常数的降低.     

纳米通道滑移流动的分子动力学研究

本文采用非平衡分子动力学方法对纳米通道内的Couette流动进行了研究,计算获得了不同壁面和流体间势能作用强度下通道内流体的速度分布和密度分布,反映出可能存在的速度滑移、表观无滑移和负滑移现象,并探讨了速度滑移程度和壁面作用强度之间的关系。     

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,...     

液滴撞击固体表面铺展特性的实验研究

利用高速摄影仪记录了不同液滴撞击固体表面的形态变化过程, 并探讨了液滴撞击参数对撞击过程液滴形态的影响. 结果表明: 液滴黏度对液滴铺展过程起着决定性作用, 液滴表面张力对液滴铺展后的回缩起到主导作用, 两者的共同作用决定着液滴的震荡特性; 撞击速度的提高会增大液滴的最大铺展因子, 但达到最大铺展的时间因表面张力的不同呈现不同变化规律.     

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。     

碳纳米锥力学特性的分子动力学研究

结合原子间短程作用势(Brenner势)和长程作用势(Lennard-Jones势),利用分子动力学方法对各种锥角的碳纳米锥进行拉伸和压缩实验,获得其载荷-应变关系曲线、受拉/压载荷极限、应变极限和构形演变等力学特性,并与等量原子组成的碳纳米管进行比较研究.研究结果表明,等量碳原子组成的碳纳米锥的受拉/压载荷极限随着锥角的增大先是增大后减小,受拉/压应变极限则随着锥角的增大而增大.与碳纳米锥相比,等量碳原子组成的碳纳米管的受拉/压载荷极限和应变极限显得既不突出也不逊色.在受压构形演化方面,与碳纳米管丰富的径向屈曲/扭转/侧向屈曲组合形变不同,112.88°和83.62°锥角的碳纳米锥受压沿轴向完美内陷,而60.0°和38.94°锥角的碳纳米锥受压发生侧向屈曲.