液體壁面滑移特征及啟動(dòng)壓力梯度的分子動(dòng)力學(xué)研究.pdf

1、20世紀(jì)80年代末，研究人員開始關(guān)注以微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)器件為研究對(duì)象的微力學(xué)系統(tǒng)，微尺度下流體的流動(dòng)性質(zhì)的研究也日益得到人們的重視，并且在工業(yè)、電子信息技術(shù)及生物工程領(lǐng)域已經(jīng)有著廣泛的應(yīng)用。在微流動(dòng)中，由于流體所處流動(dòng)環(huán)境的特殊性，一些在宏觀條件下原本可以忽略的因素，比如尺寸效應(yīng)和表面力等因素就要被考慮到微流體的受力之內(nèi)。但是由于微流動(dòng)本身的復(fù)雜性，給研究帶來很大的困難和挑戰(zhàn)，其流動(dòng)機(jī)制還沒有徹底弄明白。就目前的科學(xué)技術(shù)而言，還缺

2、乏能夠定量地精確測量微流動(dòng)中各個(gè)物理量的條件。本文運(yùn)用分子動(dòng)力學(xué)模擬的方法，恰好可以彌補(bǔ)理論方法及傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)在微流動(dòng)研究方面的不足，為進(jìn)一步認(rèn)識(shí)了解并且利用微流動(dòng)提供了一種有效的方法。
　　 本論文以流體力學(xué)為基礎(chǔ)，以平行板間的Poiseuille流為研究對(duì)象，用分子動(dòng)力學(xué)模擬的方法研究了微流動(dòng)中存在的壁面滑移現(xiàn)象及其減阻作用，并分析了液體啟動(dòng)壓力梯度的產(chǎn)生機(jī)理等內(nèi)容。
　　 首先，論文介紹了微流動(dòng)的研究背景及其發(fā)展?fàn)顩r;

3、列舉了微流動(dòng)的影響因素及分子動(dòng)力學(xué)模擬在減阻方面的研究進(jìn)展;著重介紹了啟動(dòng)壓力梯度的一些基本理論及其最新研究進(jìn)展;比較全面地介紹了有關(guān)分子動(dòng)力學(xué)模擬的基本原理，模擬過程以及具體的實(shí)現(xiàn)方法;展望了分子動(dòng)力學(xué)的發(fā)展趨勢。
　　 論文接著介紹了壁面滑移的研究現(xiàn)狀，建立了分子動(dòng)力學(xué)模擬模型。通過改變壁面潤濕性及外力作用的影響，研究了壁面潤濕性對(duì)流體流速及壁面滑移速度的影響。研究表明，流體在強(qiáng)疏水性通道中流動(dòng)時(shí)，邊界處存在明顯的滑移速度;

4、而在強(qiáng)親水性通道中流動(dòng)時(shí)，靠近固壁處的流體幾乎不流動(dòng)，存在邊界粘附層。接著分析了流體分別在強(qiáng)疏水性與強(qiáng)親水性通道中流動(dòng)時(shí)滑移長度與外力的關(guān)系。計(jì)算結(jié)果表明:無論是在親水性還是疏水性通道，絕對(duì)滑移長度均隨外力的增大而減小，并且趨于定值0。另外，我們對(duì)不同潤濕性下通道寬度和外力對(duì)壁面滑移及滑移長度的綜合影響也做了模擬計(jì)算，分析了流量及減阻率隨外力變化的關(guān)系。研究表明:無論在疏水性還是親水性通道，滑移速度均隨外力的增大而增大;隨通道寬度的減小