多場耦合下納米通道中流體流動與傳熱的分子動力學(xué)研究.pdf

1、微納尺度流動和換熱過程是芯片實驗室、微納電子技術(shù)和生醫(yī)檢測等微納系統(tǒng)中關(guān)鍵的熱物理過程,該方向的研究具有著重要的應(yīng)用前景和學(xué)術(shù)價值。隨著通道尺度減小,通道表面積對通道體積的比值急劇增大,多場耦合作用、尺度效應(yīng)和表面效應(yīng)愈加突出,研究納米尺度內(nèi)多場耦合下流體流動和傳熱特性日益受到人們的重視,已成為微納尺度傳熱傳質(zhì)領(lǐng)域的一個前沿研究熱點。為此,本文采用分子動力學(xué)方法研究了電場-離子耦合、壓力場.電場-離子耦合、電場-壓力場-溫度場-離子耦合

2、等多場耦合下納米通道內(nèi)流體流動和傳熱的輸運行為。
　　 本文建立了多場耦合下納米通道內(nèi)流體流動和傳熱的分子動力學(xué)模型,采用物理統(tǒng)計方法得出流體流動和傳熱的宏觀輸運行為(包括密度分布、速度分布、黏度、自擴散系數(shù)、熱導(dǎo)率等),分析了表面電荷、電場強度、離子濃度、壓力場和溫度等對輸運行為的影響,給出了近壁處水分子的速度滑移與表面電荷特性之間的關(guān)系;通道內(nèi)溶液速度變化與電場強度之間的關(guān)系;壓力場影響下速度輪廓的變化;溶液內(nèi)離子濃度對溶液

3、速度的影響;闡明了壓力場強度對自擴散系數(shù),黏度和熱導(dǎo)率等宏觀輸運系數(shù)的影響;溫度對宏觀輸運系數(shù)的影響。研究結(jié)果表明:
　　 1.在電場驅(qū)動下,當(dāng)通道無表面電荷時,水分子密度分布在通道中間較平緩,而在靠近壁面處其漲落明顯;當(dāng)表面電荷存在時,由于表面電荷與水分子相互吸引,近壁區(qū)內(nèi)密度漲落幅度加大,通道中央密度值較壁面無電荷時小;電場對水分子在通道內(nèi)垂直于壁面方向的密度分布影響不大。當(dāng)溶液中加入離子后,與表面電荷極性相反的離子被吸附在

4、壁面上,其密度峰值亦靠近壁面,與表面電荷極性相同的離子則被壁面排斥,其密度峰值處于通道中心區(qū)域。
　　 2.在電場驅(qū)動下,當(dāng)通道無表面電荷時,水分子在納米通道內(nèi)的速度分布與典型電滲流的塞狀流輪廓一致,但由于熱流的影響使得在通道中央的速度輪廓存在小幅振蕩;當(dāng)表面電荷為負(fù)時,近壁區(qū)的出現(xiàn)速度負(fù)滑移現(xiàn)象,且滑移速度隨壁面帶電荷量增大而增大,但當(dāng)表面電荷為正時,近壁區(qū)出現(xiàn)正速度滑移;溶液內(nèi)加入NaCI后,溶液中Na+在電場作用下朝電場負(fù)

5、極運動,Cl-朝電場正極運動,由于Na+質(zhì)量較小,其運動速率較Cl-大;隨著電場強度的增大,水分子、Na+和Cr的運動速率皆將增大;當(dāng)電場強度保持不變,增大溶液中離子濃度時,離子的運動速率同樣增大。當(dāng)壓力場與電場耦合驅(qū)動時,通道內(nèi)溶液的速度分布表現(xiàn)為電滲流塞狀流與壓力流拋物線流的矢量疊加形式;當(dāng)壓力值超過某一臨界值后,近壁區(qū)的粒子會沖破壁面對其的吸附,表現(xiàn)為速度滑移。
　　 3.在電場驅(qū)動下,當(dāng)通道無表面電荷時,溶液的自擴散性能

6、較無電場時明顯降低,表明電場的存在削弱了分子的布朗運動,且隨著電場強度增大,自擴散系數(shù)減小;溶液自擴散系數(shù)隨壁面所帶電荷的增加而增大,隨離子濃度的增大而增大:在壓力作用下,溶液的自擴散系數(shù)增大;隨著溫度的升高,溶液的自擴散系數(shù)也增加。
　　 4.無論通道內(nèi)是否存在電場作用或表面電荷是否存在,垂直于壁面方向上的溶液黏度分布都呈近壁區(qū)大,通道中央小的趨勢;隨著表面電荷數(shù)的增加,近壁區(qū)的黏度增大,而通道中心區(qū)域變化不明顯;隨電場強度的

7、增大,由于電場作用削弱了分子布朗運動,溶液的黏度增大:隨著離子濃度的增加,溶液密度增大,黏度也隨之增大;黏度隨著溫度的增加而降低。
　　 5.無論通道內(nèi)是否存在電場作用或表面電荷是否存在,垂直于壁面方向上的溶液熱導(dǎo)率分布都里近壁區(qū)大,通道中央小的趨勢;隨著電場強度的增大,分子布朗運動削弱,導(dǎo)致熱導(dǎo)率減小;隨著離子濃度的增加,熱導(dǎo)率隨之增人;溫度的升高使得熱導(dǎo)率增大。
　　 由于針對納米量級的測量手段尚不普及及成熟,故本文