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速度滑移及其对微纳尺度流动影响的分子动力学研究

作　者: 曹炳阳
导　师: 过增元；陈民
学　校: 清华大学
专　业: 动力工程及工程热物理
关键词: 微纳尺度流动速度滑移表面纳米结构分子动力学模拟
分类号: TB383.1
类　型: 博士论文
年　份: 2005年
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内容摘要

随着近十几年来微纳电子机械系统(MEMS/NEMS)和纳米技术的迅速发展,迫切需要了解微纳尺度条件下流体流动的规律。流动的速度滑移对于微米及亚微米尺度的气体流动和纳米尺度液体流动都有非常重要的影响。本文主要采用分子动力学方法研究了滑移现象及其对亚微米尺度气体流动和纳米尺度液体流动的影响规律及其机制。基于对二维理想气体系统平衡态性质、非平衡动量输运性质和流动滑移边界条件的研究,建立了二维和三维理想气体流动系统特征物理量间的定量关系,将二维分子动力学(2DMD)方法应用于微尺度气体流动研究,使分子动力学模拟的单机计算尺度从纳米延伸至亚微米尺度。获得了气体分子的切向动量协调系数在光滑固体表面的温度依赖性规律,分子动力学模拟结果表明切向动量协调系数随温度呈指数规律衰减,并揭示出这种依赖性源于气体分子在固体表面附近的“俘获—逃逸”行为。指出速度滑移对亚微米尺度气体流动的影响取决于3个特征尺度,即粗糙度A、气体分子的平均自由程λ和流动系统的特征尺度H。即使在Knudsen数表征的滑移流动区(0.001<Kn<0.1),微尺度气体流动的边界条件仍可表现为:A/λ≈1时无滑移;A/λ<1时存在速度滑移;A/λ>1时为负滑移;并且,仅当A/λ<0.2时,气体流动的滑移长度可按Maxwell滑移模型计算。对光滑纳米通道内液体流动的分子动力学模拟表明,流体和通道表面的浸润性是表征液体滑移现象和流动阻力的主要物理量,液体在疏水性固体表面存在明显的速度滑移。在此基础上,提出利用构造通道表面纳米结构来控制微纳流体流动的设想并进行了模拟验证。液体在三角纳米结构固体表面的分子动力学模拟表明,液体同固体壁面的势能作用比较小时纳米结构表面可以具有超疏水性,这种超疏水性会导致液体在纳米结构表面流动的速度滑移增大,流动阻力损失减小。

全文目录

第1章引言  14-32
  1.1 研究背景  14-17
    1.1.1 MEMS/NEMS和纳米技术  14-15
    1.1.2 微纳尺度流动研究的重要性  15-17
  1.2 研究现状  17-29
    1.2.1 速度滑移及其对微纳尺度流动的影响  17-19
    1.2.2 滑移区微尺度气体流动  19-24
    1.2.3 液体在固体表面的滑移现象  24-28
    1.2.4 微纳尺度流动问题的研究方法  28-29
  1.3 滑移现象及其对微纳尺度流动影响的研究现状总结  29-30
  1.4 本文研究的主要内容  30-32
第2章分子动力学模拟和2DMD方法  32-55
  2.1 微纳尺度流动的分子动力学模拟方法  32-38
    2.1.1 固体壁面的模拟  32-34
    2.1.2 流体和壁面间作用的模拟  34-35
    2.1.3 流动系统的温度校正方法  35-36
    2.1.4 基于降维思想的2DMD方法  36-38
  2.2 二维系统的气体分子运动理论  38-44
    2.2.1 二维系统的平衡态性质  38-40
    2.2.2 二维非平衡态系统的动量输运特征量  40-42
    2.2.3 二维系统气体流动的滑移边界条件  42-44
  2.3 微通道气体流动的2DMD模拟  44-54
    2.3.1 模拟方法介绍  44-47
    2.3.2 计算量分析  47-49
    2.3.3 模拟结果及分析  49-54
  2.4 本章小结  54-55
第3章微尺度气体流动的滑移规律  55-83
  3.1 光滑微通道内气体流动的滑移规律  55-66
    3.1.1 模拟方法和模拟参数  56-57
    3.1.2 气体和壁面势能作用的影响  57-60
    3.1.3 温度的影响  60-63
    3.1.4 气体分子和光滑表面的动量交换行为  63-66
  3.2 粗糙微通道内气体流动的滑移规律  66-82
    3.2.1 模拟方法和模拟系统  67-69
    3.2.2 粗糙度对速度分布的影响  69-72
    3.2.3 粗糙度对边界滑移的影响  72-76
    3.2.4 粗糙度对流动摩擦系数的影响  76-79
    3.2.5 表面粗糙度的影响机制探讨  79-82
  3.3 本章小结  82-83
第4章纳米通道内的液体滑移流动  83-97
  4.1 模拟方法和模拟系统介绍  83-86
    4.1.1 势能作用模型  83-84
    4.1.2 模拟系统  84-86
    4.1.3 计算方法  86
  4.2 纳米通道内的液体分布  86-89
  4.3 纳米通道流动的滑移现象和阻力性质  89-96
    4.3.1 液体的滑移现象  89-94
    4.3.2 纳米通道流动的阻力性质  94-96
  4.4 本章小结  96-97
第5章表面纳米结构对纳米通道流动的影响  97-114
  5.1 自然界中的纳米结构表面和浸润性  97-100
    5.1.1 “荷叶效应”简介  97-98
    5.1.2 “荷叶效应”的物理机制  98-100
  5.2 纳米结构表面浸润性质的分子动力学模拟  100-105
    5.2.1 模拟方法和模拟系统  100-101
    5.2.2 光滑表面的浸润性质  101-103
    5.2.3 纳米结构表面的浸润性质  103-105
  5.3 表面纳米结构对纳米通道流动的影响  105-113
    5.3.1 模拟方法和系统参数  105-106
    5.3.2 纳米结构通道内液体的分布  106-109
    5.3.3 纳米结构表面的液体滑移现象  109-112
    5.3.4 表面纳米结构的影响机制探讨  112-113
  5.4 本章小结  113-114
第6章结论  114-116
参考文献  116-129
致谢  129
声明  129-130
个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果  130-131

速度滑移及其对微纳尺度流动影响的分子动力学研究

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