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纳米通道内液态微流动密度分布特性数值模拟研究

胡海豹 鲍路瑶 黄苏和

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纳米通道内液态微流动密度分布特性数值模拟研究

胡海豹, 鲍路瑶, 黄苏和

Simulation studies on fluid density distribution of micro-flows in a nano-channel

Hu Hai-Bao, Bao Lu-Yao, Huang Su-He
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  • 微通道内流动因表面积/体积比值极大, 造成许多微尺度效应, 进而使微通道内出现完全不同于宏观流动的流体密度分布特性. 本文以纳米通道内液态Poiseuille流为对象, 采用非平衡分子动力学模拟方法研究了流体原子间相互作用强度εLL, 流体原子间平衡距离σLL以及壁面原子与流体原子间平衡距离σLS对通道内流体密度分布的影响规律. 数值模拟中, 统计系综取微正则系综, 势能函数选用LJ/126模型, 壁面设为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算法. 模拟结果表明, 随εLL的减弱, 近壁面区密度分布的振荡幅度则逐渐增大; 而σLL 则同时影响流体原子的存在形态和密度分布, 较大的σLL 会造成流体原子在整个通道内呈现面心立方结构的类似固体排列, 较小的σLL会使得流体原子呈现不断变化的 "团簇" 结构; 随σLS的变大, 近壁面区流体密度振荡幅度增大, 且流体密度分布起点离壁面越远. 另外, 本文还从近壁面区流体原子的 "俘获-逃逸" 行为角度, 初步解释了原子间相互作用强度对密度分布的影响规律.
    The flow in microchannel involves many microscale effects, because of its large ratio of superficial area to volume. And it further causes the density profiles of flow in microchannel to be greatly different from in the macro-channel. In this paper we investigate the effects of three factors (εLL, σLL, σLS) on density profile of micro-flow via the Poiseuille flow in a nanochannel using none-equilibrium molecular dynamics simulation method. In our study, we selected NVE as the statical ensemble, LJ/126 model as the potential energy function. We also adopt the Rigid-atom model to describe the wall and the temperature thermostat through using the time/rescale methods. The motion equations are solved using Verlet algorithm. The results show that as the interaction between flow atoms decreases, the oscillation degree of density profiles near the wall increases. The balance distance (σLL) between flow atoms affects the existence state and density profiles of flow in the micro channel: the greater σLL causes the flow atoms to be arranged as the fcc structure liking a solid, while smaller σLL results in the flow atoms moving as a changeable "cluster". The balance distance (σLS) between wall atoms and flow atoms also has a significant influence on flow density. As σLS increases, the oscillation degrees of density profile near the wall and the distance between the starting point of density profile and wall increase. Besides, we analyze the mechanism of effects of the interaction between the flow atoms on density distribution based on the "capture-escape " behavior of atoms adjoining the wall.
    • 基金项目: 国家自然科学基金(批准号: 51109178)、高等学校博士学科点专项科研基金(批准号: 20116102120009)和固体润滑国家重点实验室开放课题(批准号: 1210) 资助的课题.
    • Funds: Project supported by the National Natural Science Foundation of China (Grant No. 51109178), the Specialized Research Fund for the Doctoral Program of Higher Education of China (Grant No. 20116102120009), and the Open Project of State Key Laboratory of Solid Lubrication, China (Grant No. 1210).
    [1]

    Thompson P A, Robbins M O 1990 Phys. Rev. A 41 6830

    [2]

    Thompson P A, Troian S M 1997 Nature 389 360

    [3]

    Barrat J, Bocquet L 1999 Phys. Rev. Lett. 82 4671

    [4]

    Travis K P, Gubbins K E 2000 J. Chem. Phys. 112 1984

    [5]

    Soong C Y, Yen T H, Tzeng P Y 2007 Phys. Rev. E 76 036303

    [6]

    Song F Q, Wang J D 2010 J. Hydrodyn. 22 513

    [7]

    Xin Y, Zhang L T 2010 Phys. Rev. E 82 056313

    [8]

    Zhang H W, Zhang Z Q, Ye H F 2012 Microfluid Nanofluid 12 107

    [9]

    Cao B Y, Chen M, Guo Z Y 2006 Acta Phys. Sin. 55 5305 (in Chinese) [曹炳阳, 陈民, 过增元 2006物理学报 55 5305]

    [10]

    Gu X K, Chen M 2010 J. Engin. Thermophys. 31 1724 (in Chinese) [顾晓坤, 陈民 2010 工程热物理学报 31 1724]

    [11]

    Cao B Y 2005 Ph. D. Dissertation (Beijing: Tsinghua University) (in Chinese) [曹炳阳 2005博士学位论文 (北京: 清华大学)]

    [12]

    Xiang H, Jiang P X, Liu Q X 2008 Progress in Natural Science 18 1346 (in Chinese) [向恒, 姜培学, 刘其鑫 2008自然科学进展 18 1346]

    [13]

    Travis K P, Todd B D, Evans D J 1997 Physica A 240 315

    [14]

    Travis K P, Gubbins K E 2000 J. Chem. Phys. 113 1984

    [15]

    Evans D J, Morriss G P 1986 Phys. Rev. Lett. 56 2172

  • [1]

    Thompson P A, Robbins M O 1990 Phys. Rev. A 41 6830

    [2]

    Thompson P A, Troian S M 1997 Nature 389 360

    [3]

    Barrat J, Bocquet L 1999 Phys. Rev. Lett. 82 4671

    [4]

    Travis K P, Gubbins K E 2000 J. Chem. Phys. 112 1984

    [5]

    Soong C Y, Yen T H, Tzeng P Y 2007 Phys. Rev. E 76 036303

    [6]

    Song F Q, Wang J D 2010 J. Hydrodyn. 22 513

    [7]

    Xin Y, Zhang L T 2010 Phys. Rev. E 82 056313

    [8]

    Zhang H W, Zhang Z Q, Ye H F 2012 Microfluid Nanofluid 12 107

    [9]

    Cao B Y, Chen M, Guo Z Y 2006 Acta Phys. Sin. 55 5305 (in Chinese) [曹炳阳, 陈民, 过增元 2006物理学报 55 5305]

    [10]

    Gu X K, Chen M 2010 J. Engin. Thermophys. 31 1724 (in Chinese) [顾晓坤, 陈民 2010 工程热物理学报 31 1724]

    [11]

    Cao B Y 2005 Ph. D. Dissertation (Beijing: Tsinghua University) (in Chinese) [曹炳阳 2005博士学位论文 (北京: 清华大学)]

    [12]

    Xiang H, Jiang P X, Liu Q X 2008 Progress in Natural Science 18 1346 (in Chinese) [向恒, 姜培学, 刘其鑫 2008自然科学进展 18 1346]

    [13]

    Travis K P, Todd B D, Evans D J 1997 Physica A 240 315

    [14]

    Travis K P, Gubbins K E 2000 J. Chem. Phys. 113 1984

    [15]

    Evans D J, Morriss G P 1986 Phys. Rev. Lett. 56 2172

  • [1] 邢赫威, 陈占秀, 杨历, 苏瑶, 李源华, 呼和仓. 不凝性气体对纳米通道内水分子流动传热影响的分子动力学模拟. 物理学报, 2024, 0(0): 0-0. doi: 10.7498/aps.73.20240192
    [2] 王小峰, 陶钢, 徐宁, 王鹏, 李召, 闻鹏. 冲击波诱导水中纳米气泡塌陷的分子动力学分析. 物理学报, 2021, 70(13): 134702. doi: 10.7498/aps.70.20210058
    [3] 梅涛, 陈占秀, 杨历, 朱洪漫, 苗瑞灿. 非对称纳米通道内界面热阻的分子动力学研究. 物理学报, 2020, 69(22): 224701. doi: 10.7498/aps.69.20200491
    [4] 李杰杰, 鲁斌斌, 线跃辉, 胡国明, 夏热. 纳米多孔银力学性能表征分子动力学模拟. 物理学报, 2018, 67(5): 056101. doi: 10.7498/aps.67.20172193
    [5] 张宝玲, 宋小勇, 侯氢, 汪俊. 高密度氦相变的分子动力学研究. 物理学报, 2015, 64(1): 016202. doi: 10.7498/aps.64.016202
    [6] 袁林, 敬鹏, 刘艳华, 徐振海, 单德彬, 郭斌. 多晶银纳米线拉伸变形的分子动力学模拟研究. 物理学报, 2014, 63(1): 016201. doi: 10.7498/aps.63.016201
    [7] 马彬, 饶秋华, 贺跃辉, 王世良. 单晶钨纳米线拉伸变形机理的分子动力学研究. 物理学报, 2013, 62(17): 176103. doi: 10.7498/aps.62.176103
    [8] 马文, 陆彦文. 纳米多晶铜中冲击波阵面的分子动力学研究. 物理学报, 2013, 62(3): 036201. doi: 10.7498/aps.62.036201
    [9] 杨平, 吴勇胜, 许海锋, 许鲜欣, 张立强, 李培. TiO2/ZnO纳米薄膜界面热导率的分子动力学模拟. 物理学报, 2011, 60(6): 066601. doi: 10.7498/aps.60.066601
    [10] 汪志刚, 吴亮, 张杨, 文玉华. 面心立方铁纳米粒子的相变与并合行为的分子动力学研究. 物理学报, 2011, 60(9): 096105. doi: 10.7498/aps.60.096105
    [11] 顾芳, 张加宏, 杨丽娟, 顾斌. 应变石墨烯纳米带谐振特性的分子动力学研究. 物理学报, 2011, 60(5): 056103. doi: 10.7498/aps.60.056103
    [12] 马文, 祝文军, 张亚林, 陈开果, 邓小良, 经福谦. 纳米多晶金属样本构建的分子动力学模拟研究. 物理学报, 2010, 59(7): 4781-4787. doi: 10.7498/aps.59.4781
    [13] 王伟, 张凯旺, 孟利军, 李中秋, 左学云, 钟建新. 多壁碳纳米管外壁高温蒸发的分子动力学模拟. 物理学报, 2010, 59(4): 2672-2678. doi: 10.7498/aps.59.2672
    [14] 陈开果, 祝文军, 马文, 邓小良, 贺红亮, 经福谦. 冲击波在纳米金属铜中传播的分子动力学模拟. 物理学报, 2010, 59(2): 1225-1232. doi: 10.7498/aps.59.1225
    [15] 周国荣, 高秋明. 金属Ni纳米线凝固行为的分子动力学模拟. 物理学报, 2007, 56(3): 1499-1505. doi: 10.7498/aps.56.1499
    [16] 杨全文, 朱如曾. 纳米铜团簇凝结规律的分子动力学研究. 物理学报, 2005, 54(9): 4245-4250. doi: 10.7498/aps.54.4245
    [17] 刘晓东, 李曙光, 许兴胜, 王义全, 程丙英, 张道中. 用不同密度分布的发光分子探测光子晶体的全态密度. 物理学报, 2004, 53(1): 132-136. doi: 10.7498/aps.53.132
    [18] 梁海弋, 王秀喜, 吴恒安, 王宇. 纳米多晶铜微观结构的分子动力学模拟. 物理学报, 2002, 51(10): 2308-2314. doi: 10.7498/aps.51.2308
    [19] 陈军, 经福谦, 张景琳, 陈栋泉. 冲击作用下金属表面微喷射的分子动力学模拟. 物理学报, 2002, 51(10): 2386-2392. doi: 10.7498/aps.51.2386
    [20] 吴恒安, 倪向贵, 王宇, 王秀喜. 金属纳米棒弯曲力学行为的分子动力学模拟. 物理学报, 2002, 51(7): 1412-1415. doi: 10.7498/aps.51.1412
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出版历程
  • 收稿日期:  2013-01-17
  • 修回日期:  2013-02-27
  • 刊出日期:  2013-06-05

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