流體自擴(kuò)散特性與表面潤濕性的分子動力學(xué)研究.pdf

1、隨著自然科學(xué)及工程技術(shù)向微型化發(fā)展，納米尺度下流體輸運(yùn)性質(zhì)研究備受國內(nèi)外關(guān)注。當(dāng)流體特征尺度達(dá)到納米量級時，那些在宏觀尺度上所得出的流體性質(zhì)將不再成立，須從分子水平重新認(rèn)識其微觀機(jī)理。流體自擴(kuò)散特性與表面潤濕性是納米科學(xué)技術(shù)研究中的重要問題。自擴(kuò)散系數(shù)是反映流體輸運(yùn)特性的重要參數(shù)，很難采用實驗手段測量得到。并且，作為流體輸運(yùn)性質(zhì)的另一重要方面，流體在固體表面的潤濕特性對微流體流動減阻具有重要工程應(yīng)用前景。為此，本論文采用分子動力學(xué)方法研

2、究了納米尺度下流體的自擴(kuò)散特性及其在固體表面的潤濕特性。
　　基于分子動力學(xué)方法分別建立了自由空間和納米尺度受限空間內(nèi)流體的自擴(kuò)散模型，采用徑向分布函數(shù)對流體微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行了表征，模擬了流體在這兩種體系下的自擴(kuò)散系數(shù)并進(jìn)行了對比分析，同時從分子水平分析了溫度、密度和受限尺度對自擴(kuò)散系數(shù)的影響。對于納米尺度受限流體，重點研究了壁面特性對其自擴(kuò)散特性的影響。研究結(jié)果表明：流體無論是否受限，其分子密集度均隨溫度的降低、密度的增加而增加，且

3、受限更能增強(qiáng)分子密集程度；流體自擴(kuò)散系數(shù)均隨溫度的升高而增加，隨密度的增加而逐漸減小，但在受限空間中，隨著受限尺度的增大，自擴(kuò)散系數(shù)逐漸增大，且其值始終小于相同溫度和密度條件下自由空間所對應(yīng)值。在納米尺度受限空間中，壁面附近流體分子的自擴(kuò)散范圍遠(yuǎn)小于中心區(qū)域的流體分子；當(dāng)壁面密度接近流體密度時，流體自擴(kuò)散系數(shù)達(dá)到最大，并且較強(qiáng)的固流勢能作用能明顯減弱流體分子的自擴(kuò)散行為。
　　另外，本文以平板形納米通道為研究對象，建立了納米通道內(nèi)

4、流體在固體表面潤濕特性的分子動力學(xué)模型，模擬了流體與固體壁面之間的接觸角，并結(jié)合流體分子在納米通道內(nèi)的分布及變化規(guī)律，重點探討了壁面特性對潤濕特性的影響。研究結(jié)果表明：當(dāng)固流勢能作用較強(qiáng)時，流體分子在壁面附近呈現(xiàn)出層狀的有序性分布，增加壁面密度可增強(qiáng)這種有序性；當(dāng)固流勢能作用較弱時，壁面附近的流體分子數(shù)大大減少，容易導(dǎo)致低密度區(qū)和空隙的形成，此時壁面密度的增加可使低密度化和空隙化程度降低。隨著固流勢能作用的增強(qiáng)，流體與壁面的接觸角逐漸減