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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).
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  • 被引次数: 0
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

纳米通道内液态微流动密度分布特性数值模拟研究

  • 1. 西北工业大学航海学院, 西安 710072
    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.

摘要: 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.

English Abstract

参考文献 (15)

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