1分子动力学模拟细节-力学学报.doc

PAGE  PAGE 2 不同润湿性纳米通道内库埃特流动的分子动力学模拟 胡海豹，鲍路瑶，黄苏和 (西北工业大学，航海学院，西安 710072) 摘要：利用非平衡分子动力学模拟方法，模拟了两无限大平行平板组成的纳米通道内的库埃特(Couette)流动，并给出了壁面润湿性和速度对流场密度、速度分布及壁面滑移的影响规律。数值模拟中，统计系综采用微正则系综(NVE)，势能函数选用LJ/126模型，壁面设为刚性原子(Rigid-atom)壁面，温度校正使用速度定标法，牛顿运动方程的求解则采用Verlet(文莱特)算法。结果表明，纳米通道内流体密度呈对称的衰减振荡分布，且随壁面润湿性的降低，振荡幅度减小，振荡周期保持不变; 滑移量随壁面润湿性的提高而降低，甚至在亲水壁面时出现负滑移现象；随壁面速度的增加滑移速度逐渐增大，且在流体呈现非线性流动阶段其增幅显著加大。另外，还发现当壁面设置为超疏水性时，壁面滑移呈现出随润湿性降低而减小的反常现象，并基于杨氏方程(Young’s Equation)对其进行了解释。 关键字：润湿性，库埃特流动，分子动力学，滑移速度，杨氏方程 中图分类号：O647 文献标识码：A 文章编号：  ?1)国家自然科学基金 51109178)、高等学校博士学科点专项科研基金（20116102120009） 资助项目 2) E-mail：huhaibao@nwpu.edu.cn 引 言 近十几年来，疏水表面在流动减阻方面的应用潜力引起了人们广泛的关注[1-4]。Ou J.等[5]在层流状态下测量发现，疏水表面微通道无量纲压降比降幅超过40%。Choi C. H.等[6]试验发现在相同压力下疏水表面微通道内流率明显大于一般微通道，并把其解释为疏水表面使流体在壁面处产生滑移。姚朝晖等[7]利用碳纳米管构建了具有微纳结构的超疏水表面，开展了该表面宏观尺度下的槽道阻力测试和基于μ-PIV技术的矩形截面微槽道流场测试试验，结果表明，层流条件下超疏水表面最大减阻量达到36.3%，且在壁面处流体存在明显的速度滑移。Lauga E.等[8]基于N-S方程，数值计算了圆管内壁面滑移流动，但由于引入充分发展层流假设等简化模型，致使给出的滑移量明显偏大。陈晓玲等[9]使用FLUENT软件对直径6mm的超疏水圆管内湍流流动进行了数值模拟，结果发现，当Re大于临界值时，超疏水圆管内湍流流动表现为减阻作用，反之则为增阻作用。国内外学者已充分证实了疏水表 面存在减阻效果，但上述相关研究仍存在以下不足：(1)对疏水性界面“滑移”现象产生机制缺乏合理解释；(2)数值模拟依据连续介质假设，而实际该问题涉及到微流动。 在微流动研究领域，近年来，也有研究者开展过一些与该问题相近的研究工作。如Thompson等[10,11]报道了不同固液作用强度下的库埃特流动，并给出了滑移长度随固液相互作用强度降低而单调增大的结论；Priezjev等[12]报道了聚合物分子在亲水纳米通道中的库埃特流动，得到了不同分子链长度下剪切率对滑移长度的影响规律；Soong[13]等研究了不同晶格平面种类等条件下的库埃特流动和Poiseuille流动，也给出了固液作用强度对滑移长度的影响，但仅计算了4种不同作用强度值。曹炳阳等[14,15]利用分子动力学方法模拟了纳米通道内的库埃特流动，给出了壁面润湿性对流体密度分布和速度分布的影响规律，但是由于通道内分层数少导致相关规律尚不完善。Voronov等[16]利用分子动力学模拟对库埃特流动的研究也发现了流体密度分布和滑移现象的类似规律，但同时指出壁面接触角对滑移量的影响并非单调。Cieplak等[17]以纳米通道内库埃特流动为对象，研究了固液作用强度和流体介质类型对流动的影响，发现流动系统的滑移长度与流体介质无关，而与固液作用强度有直接关系。 截至目前，亲水/疏水性对壁面滑移现象的影响规律还缺乏统一完整的认识[14,18,19]，且驱动源强度对其影响规律也有待于探索。为此，论文采用非平衡分子动力学模拟方法，开展了一系列不同润湿性纳米通道内库埃特流动的模拟研究。 1 分子动力学模拟细节 1.1 模拟系统 在分子动力学模拟时，采用铂原子构造微通道壁面，而液态氩作为通道内流体介质。同时，为提高计算效率，本文在不影响物理模型本质的条件下，采用二维分子动力学方法(2DMD)。图1则为所建立的纳米通道内微流动系统示意图。 图1 模拟系统示意图 Fig.1 Schematic of simulation system 通道具体参数如下：通道长度L=17.26648 nm，宽度B=6.27872 nm，壁厚D=1.17726 nm。通道上下壁面均由312个铂原子按面心立方结构排列而成，壁面