纳米通道滑移流动的分子动力学模拟研究

本文采用非平衡分子动力学方法对平板纳米通道滑移流动进行了非平衡分子动力学模拟,获得了不同壁面势能和不同温度时流体的速度分布及密度分布。研究结果表明滑移速度在很大程度上决定于流体温度和壁面吸引力作用强度的大小。由于不同壁面吸引力时流体的密度分布受温度的影响规律不同,使得不同壁面吸引力时流体的滑移速度受温度影响规律也不一致。而且,流体结构受壁面流速的影响要受到壁面势能的制约。     

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。     

纳米通道内液体流动的分子动力学研究

本文采用分子动力学方法模拟液体在定截面及变截面纳米通道内的三维Poiseuille流动,研究液体浸润性及通道截面变化对纳米通道内液体流动的影响.研究结果表明:液体对壁面不湿润时,壁面处有速度滑移存在,并且随接触角的增大而增大,液体对壁面湿润则不存在速度滑移;同时,摩擦阻力系数随接触角的减小而增大.通道截面形状的变化对流场的影响随着远离变截面位置而迅速减弱,对流体通道平直处的流体速度相对值分布影响不大,对摩擦阻力系数影响较大.     

纳米尺度下毛细流动的分子动力学模拟

采用分子动力学模拟研究纳米尺度下壁面润湿性对毛细流动的影响,主要考虑纳米通道两侧壁面润湿性相同与不同两种情况。研究表明：两侧壁面润湿性相同条件下,毛细流动随着壁面润湿性增强而加快, 毛细高度随时间的变化早期偏离Lucas-Washburn理论,但后期与其预测符合。在纳米通道两侧壁面润湿性不同的情况下,液面会发生振荡,两侧壁面毛细高度也不相等,且液面振荡的幅度和两侧壁面毛细高度差都随着两侧壁面润湿性差异的增大而增大。基于能量转化分析,提出两侧壁面湿润性不同情况下纳米通道中毛细流动发生的条件以及毛细流动快慢的判别依据。研究结果加深了对纳米尺度下毛细流动机理的认识,并为相关工程应用提供理论参考。     

纳米铝杆拉伸过程的分子动力学模拟

应用嵌入原子势(EAM)和分子动力学方法对纳米单晶铝杆在外载荷作用下的原子滑移、位错等形变行为做了一些现象分析和研究.研究发现在势能曲线有明显抖动的地方对应的时间步刚好有滑移产生,说明滑移机制在纳米铝杆塑性变形过程中起着非常重要的作用.     

纳米铝杆拉伸过程的分子动力学模拟

本文主要应用嵌入原子势（EAM）和分子动力学方法对纳米单晶铝杆在外载荷作用下的原子滑移、位错等形变行为做一些现象分析和研究。发现在势能曲线有明显抖动的地方对应的时间步刚好有滑移产生,滑移机制在纳米铝杆塑性变形过程中起着非常重要的作用。     

纳米通道内液体流动的滑移现象

采用分子动力学模拟方法研究了液态氩在铂纳米通道内的流动，通过改变流体和壁面之间的势能作用获得了流体和通道表面之间浸润性质不同时的滑移现象. 研究发现：液体分子在亲水性通道表面附近呈类固体性质，数密度和有序性较大，而在疏水性表面附近的平均数密度降低，形成一个低密度层；液体流动在固体表面的速度滑移随着液体与表面势能作用的增强而减小，当液体和表面的浸润性不同时可以发生滑移、表观无滑移和负滑移现象；液体在固体表面的表观滑移是液体在固体表面的速度滑移、粘附和流体内部滑移的综合作用的结果. 关键词： 纳米尺度流动 速度滑移 浸润性 分子动力学模拟     

不凝性气体对纳米通道内水分子流动传热影响的分子动力学模拟

随着电子元件高性能化和小型化的发展,纳米通道内工质的流动传热问题受到了更多的关注.本文采用分子动力学模拟方法,模拟了300,325,350 K的纳米通道中流体的流动传热情况,工质为水,水中不凝性气体用氩气代替.结果表明:流动过程中,氩原子形成高势能团簇,随着温度升高,流体势能上升,团簇逐渐减小或消失;少量气体原子能够促进流动,而较多氩气会导致通道中心区域形成较大气体团簇而阻碍流动,同时,被加热的工质能显著减小流动阻力系数;近壁面区域流体温度高于中心区域,团簇内部原子活动更加剧烈,平均分子动能更大,温度更高;水的氢键结构可以促进纳米通道内的传热,氩原子会影响氢键数量,高温会破坏水分子形成的氢键网络,使努塞尔数下降.本研究分析了不凝性气体影响下微通道内水分子流动传热的机理,为电子设备的强化传热提供了理论指导.     

分子动力学模拟纳米通道内混合气体流动的温度效应

温度对纳米通道内流体的流动有显著的作用。运用分子动力学方法,模拟了不同温度下气体混合物在纳米通道内的Poiseuille流动。结果表明:气体混合物化学成分和物理结构都是非均匀的,固壁附近亲水粒子密度随着温度的升高而降低,疏水粒子随着温度的升高逐渐能够到达固壁附近。纳米通道内混合气体在温度较低时有明显的分层现象,而随着温度的升高,密度分布趋于一致。同时在固体壁面从温度较低时的无表观滑移到表观滑移速度随着温度的升高而逐渐增大,而在通道中心混合气体的流动速度随着温度的升高而降低。     

纳米结构影响沸腾换热特性的分子动力学模拟

采用分子动力学方法模拟液体在纳米结构表面的快速沸腾过程.主要研究了纳米结构表面粗糙度以及栏栅形和棋盘形两种排列方式对液体快速沸腾过程以及换热特性的影响.研究结果表明,随着纳米结构表面粗糙度的增加,栏栅形和棋盘形纳米结构表面液体沸腾起始时间均提前.当栏栅形和棋盘形纳米结构表面粗糙度相同时,棋盘形纳米结构表面会进一步缩短液体沸腾起始时间.形成这种现象的原因是纳米结构表面粗糙度的增加,增加了固液接触面积,提高了初始时刻热通量,减小了固液界面热阻,导致表面附近液体动能增大,增大了液体高度方向的温度梯度,有利于液体发生沸腾.当纳米结构表面粗糙度相同时,棋盘形纳米结构表面具有较小的界面热阻,从而缩短了沸腾所需要的时间.     

量子分子动力学模拟液体钚的输运性质

采用第一原理分子动力学（QMD）方法模拟液体钚的输运性质.计算的粘性和扩散系数在较低温度时与文献有明显差异,在实验测量范围内,模拟结果与实验一致,温度升高时数值模拟结果趋于一致.利用QMD的模拟结果计算了应力自相关函数和速度自相关函数,结果表明：在温度较低时,液体钚呈现明显的强关联特性.对于具有强关联特性的液体,利用较短时间的QMD模拟结果,通过简单e指数拟合外推到t→∞得到的扩散系数和粘性具有较大偏差,这是造成本文模拟结果与文献结果出现差异的主要原因.通过增加QMD模拟时间步数,获得了更为准确的输运性质.     

Molecular Dynamics Simulations of Thermal Properties of Solid Uranium Dioxide

Molecular dynamics simulations are performed with the recently developed empirical interaction potential by Morelon et al. Thermodynamics properties of solid UO2 that have been assessed include melt point, density, enthalpy, heat capacity, lattice parameter variation with temperature, mean-square-displacement and diffusion coefficients of oxygen ion. The results are compared with the data in literature and it is suggested that the rigid ionic potential provides perfect results below the superionic range. The data showing thermodynamics properties will become unacceptable when the temperature is higher than 2500 K. Compared with the previous empirical potentials, the empirical potential developed by Morelon et al. improves the agreement of these data with the recommend ones.     

势能模型对石墨烯导热性质分子动力学模拟的影响

针对常用的Tersoff势、Rebo势和Airebo势,系统性地分析势能模型对分子动力学模拟计算石墨烯色散关系、声子态密度、群速度和热导率的影响. 结果表明：Rebo势和Airebo势描述的声子色散关系接近实验值,Airebo势对应的声子态密度与第一性原理计算的结果较为符合,Rebo势和Airebo势计算的Γ点处声子群速度高于Tersoff势. 采用Airebo势得到石墨烯热导率约为1 150 W·（m·K）^-1,与实验值相近. 综合各种影响,相比于Tersoff势和Rebo势,Airebo势能模型更适合计算石墨烯的导热性质.     

气流混合对生长GaN∶Si膜性能影响的研究

用金属有机化学气相沉积技术在三种不同型号的反应管中生长了GaN∶Si膜。通过对样品的光电及结晶性能的分析 ,研究了气流混合时间不同对GaN∶Si膜性质的影响。结果表明 :合理的Ⅲ、Ⅴ族气流混合对提高GaN∶Si膜的光电及结晶性能很重要。Ⅲ、Ⅴ族气流混合太早 ,气流混合时间长 ,GaN∶Si膜的黄带与带边发射强度之比较大 ,X射线双晶衍射半高宽较宽 ;Ⅲ、Ⅴ族气流混合太晚 ,尽管可减少预反应 ,但气流混合不均匀 ,致使GaN∶Si膜的发光性能及结晶性能变差。使用Ⅲ、Ⅴ族气流混合适中的反应管B生长 ,获得了光电及结晶性能良好的GaN∶Si单晶膜。     

Molecular Dynamics Simulations of Warm Dense Carbon

We present classical and DFT‐based molecular dynamics (MD) simulations of carbon in the warm dense matter regime (? = 3.7 g/cc, 0.86 eV < T < 8.62 eV [T < 100 eV for classical MD]). Two different classical interatomic potentials are used: 1. LCBOP, designed to simulate condensed (e.g. solid) phases of C, and 2. linearly screened Coulomb (Yukawa) potentials. It is shown that LCBOP over‐predicts minima and maxima in the pair correlation functions of liquid‐C in this regime when compared to the DFT‐MD results. The screened Coulomb model, while under‐correlating at low‐T, seems to produce the correct qualitative features in the static ionic pair distributions at the highest‐T. However, both approaches predict the decay in the ionic contribution of the specific heat as T → ∞ to be much slower than that predicted by a model based on DFT‐MD. These differences in the MD‐derived equations of state in warm dense regimes could have important consequences when using classical inter‐ionic forces such as these in large‐scale MD simulations aimed at studying, for instance, processes of relevance to inertial confinement fusion when C is used as an ablator material. (© 2015 WILEY‐VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim)     

Phonon Dispersion and Thermodynamics Properties of CaF2 via Shell Model Molecular Dynamics Simulations

The phonon and thermodynamics properties of face-centered cubic CaF2 at high pressure and high temperature are investigated by using the shell model interatomic pair potential within General Utility Lattice Program （GULP）. The phonon dispersion curves and the corresponding density of state （PDOS） in this work are consistent with the experimental data and other theoretical results. The transverse optical （TO） and longitudinal optical （LO） mode splitting as well as heat capacity at constant volume Cv and entropy S versus pressure and temperature are also obtained.     

不同温度下二氧化硅纳米管的结构和振动性质的分子动力学模拟

采用三种势能模型, 利用分子动力学模拟研究了在300～1600 K内4、6和8元环的二氧化硅纳米管. 结果表明,三种纳米管的末端环的稳定性随温度的升高而降低. 通过振动态密度考察了二氧化硅纳米管的有效振动特性. 以及不同温度下二氧化硅纳米管的红外光谱.     

液态合金NiAl凝固过程中微观结构转变的分子动力学模拟

采用分子动力学模拟方法对液态NiAl凝固过程进行了研究 ,考察了不同冷却速度下液态NiAl结构变化特点 ,原子间相互作用势采用F S多体势 ,结构分析采用键取向序和对分析技术 .计算结果表明 ,冷却速度对液态NiAl结构转变有重要影响 ,在不同的冷却速度下 ,NiAl凝固过程出现了明显不同 ,冷速为 4× 10 13 和4× 10 12 K/s时 ,NiAl快速凝固为无序的非晶体结构 ;而在较慢的 8× 10 11K/s冷速下 ,NiAl凝固为晶态结构 .给出了不同冷却速度下液态NiAl结构转变的微观信息 .     

Molecular Dynamics Simulations of Helium Behaviour in Titanium Crystals

Molecular dynamics simulations are performed to investigate the behaviour of helium atoms in titanium at a temperature of 30OK. The nucleation and growth of helium bubble has been simulated up to 50 helium atoms. The approach to simulate the bubble growth is to add helium atoms one by one to the bubble and let the system evolve. The titanium cohesion is based on the tight binding scheme derived from the embedded atom method, and the helium-titanium interaction is characterized by fitted potential in the form of a Lennard-Jones function. The pressure in small helium bubbles is approximately calculated. The simulation results show that the pressure will decrease with the increasing bubble size, while increase with the increasing helium atoms. An analytic function about the quantitative relationship of the pressure with the bubble size and number of helium atoms is also fitted.