納米通道內流體流動表面效應的分子動力學模擬研究.pdf

1、納米流動在微納機械、納米儲能、農業(yè)生產等領域中有廣泛的應用前景。納米尺度內,流體流動過程呈現完全不同的形態(tài),由于只有有限個數的分子,分子間的作用占據了主導性地位,傳統(tǒng)的連續(xù)模型方法已經不能預測和解釋流體在納米尺度的特征,分子動力學模擬成為強有力的研究方法和研究手段。理解、掌握微納尺度的流體特性,以達到控制、優(yōu)化納米尺度內流體的運動,可以促進發(fā)明新的設備及應用。在納米通道內,流體與固壁分子間的作用、固壁的表面狀況都對其中的流體產生強烈的影

2、響,本文采用分子動力學方法,模擬流體在納米通道內運動,著重于研究流體流動的表面效應,研究了氣體在納米通道內流動的切向動量協調系數及表面親潤性非對稱通道內的運動規(guī)律、混合氣體的流動特性、含有氣泡的流體運動情況、單壁碳納米管壁面手性對流體的運動影響,最后實驗定性驗證納米尺度流動的速度效應并探討構建納米泡沫儲能系統(tǒng)。
　　 發(fā)現氣體在壁面有吸附層時,切向動量協調系數隨著溫度升高而降低;在吸附層能夠解吸附的溫度時,切向動量協調系數發(fā)生突

3、躍;在壁面無吸附層情況下,切向動量協調系數亦隨著溫度升高而降低。在本文模擬條件下,氣體粒子離開壁面吸附的能力及壁面粒子熱運動產生的粗糙度決定了切向動量協調系數的分布。氣體在Janus界面的納米通道內流動,總體流動速度隨著溫度的升高而減速。由于密度分布的不對稱性,呈現了特殊的流型,該流型既不是類泊蕭葉流動,也不類似于栓塞流動。
　　 發(fā)現混合氣體在納米通道中流動時,氣體混合物不再均勻一致,親水性粒子隨著自身比例的減少,逐漸被吸附于

4、壁面,而疏水性粒子主要分布于通道中間。在親水粒子、疏水粒子以及壁面粒子相互作用下,混合氣體在壁面附近發(fā)生了弱相互作用向強相互作用的轉變,形成了類固體層。流動速度隨著疏水性粒子比例的增加而升高,同時,滑移速度也從負滑移速度逐漸轉變?yōu)檎扑俣?。親、疏水粒子各占50％的氣體混合物在納米通道內流動時,親水粒子的解吸附能力隨著溫度升高而增大,使得固壁附近親水粒子密度隨著溫度升高而降低;疏水粒子隨著溫度升高逐漸能夠到達固壁附近。在溫度較低時,混合

5、氣體在納米通道內分布有明顯的分層現象,而隨著溫度升高,層化現象減弱;混合氣體在納米通道內流動,在固體壁面從溫度較低時的無表觀滑移到表觀滑移速度隨著溫度的升高而逐漸增大;而在通道中心混合氣體流動速度則隨著溫度升高而降低。
　　 提出了一種統(tǒng)計納米通道中氣泡運動速度的方法,該方法根據密度分布定位氣泡的位置,進而得到氣泡的位移隨時間變化規(guī)律,從而求出氣泡的速度。發(fā)現在親水性壁面納米通道中,氣泡形成于通道中間。在勢能強度較大時,壁面吸附

6、分子較多,氣泡也較大,反之則氣泡較小,氣泡的運動速度接近但小于通道中心流速。對超疏水性壁面,氣泡則形成在固壁附近,兩個壁面形成一對對稱的氣泡,氣泡運動速度接近但大于邊緣速度。流體總的流動速度隨著流體分子與壁面分子作用的減弱而增大,滑移速度則逐漸從負轉變?yōu)檎?當壁面為超疏水性時,隨著外界驅動力的增大,兩壁面上氣泡被逐漸拉長,同時變得逐漸扁平;前端“接觸角”逐漸增大,而后端“接觸角”逐漸減小。在不同驅動力作用下,兩個氣泡總是保持相同的速度,

7、氣泡的速度與外力驅動的大小呈線性增長趨勢。隨著外力增大,邊界層及通道中心速度皆呈現增大趨勢。當納米通道上板做剪切運動時,兩個氣泡之間吸引力使得它們總是保持相同速度前進。板間距離對氣泡速度影響較小或者沒有影響。納米氣泡間吸引力的存在,加快了固定壁面附近流體的流動速度,減緩了靠近運動壁面附近流體的速度,增大了流體在納米通道內速度滑移。
　　 建立了流體在單壁碳納米管中流動模型,對比分析了氬氣和水在近似相等半徑的椅型和鋸齒型單壁碳納米

8、管中的流動。同等外力驅動下,椅型單壁碳納米管中流體所受的阻力小于相同半徑的鋸齒形單壁碳納米管中流體所受的阻力,顯示出了強烈的手性效應。手性效應隨著尺寸的增大而減小,隨著流速的增大而增大。流體在近似半徑的鋸齒型單壁碳納米管中的剪切應力和有效粘度都大于對應椅型中的參數。剪切應力和有效粘度隨著尺寸及流速增大而減小,呈現出顯著的尺寸效應和速度效應。流體呈現典型栓塞型流動,手性對密度分布影響較小。單個流體粒子沿不同壁面運動時所受的作用力差異從根本