纳米通道内液氩剪切流动的分子动力学研究

摘要

得益于纳米技术的促进作用，微机电系统（Micro Electro-Mechanic System, MEMS）和纳机电系统（Nano Electro-Mechanic System, NEMS）正在经历一个高速的发展时期。作为NEMS中一个重要应用领域，纳流体器件可以用来对纳米流场中的粒子进行操作和分析。因此研究纳米尺度的流动规律对于纳流体器件的设计和优化具有非常重要的指导意义。由于尺度的特殊性，数值模拟在解决此类问题时相对于实验研究和理论研究具有独到的优势。本文采用分子动力学（Molecular Dynamics, MD）方法，模拟了纳米通道内液氩的库埃特（Couette）流动，研究不同浸润性、温度、壁面剪切速度对数密度分布、速度滑移的影响。同时研究了纳米通道内的阻力性质，考察浸润性、温度、壁面剪切速度和壁面剪切力、流体粘度、摩擦系数之间的关系
　　研究结果表明纳米通道内液氩数密度在壁面附近呈现空间涨落的层状分布。根据浸润性的不同，温度对这种层状分布会起着不同的作用。壁面剪切速度不会影响纳米通道内液氩数密度的分布。速度滑移主要取决于流体的数密度分布，数密度越小则滑移越明显。壁面剪切力会随着亲水性的增强、温度的降低和剪切速度的增大而增大。动力粘度作为流场的一种固有属性，不受浸润性的影响。与宏观液体的性质相似，纳米尺度的液氩在温度升高时粘度也出现减小。壁面剪切速度的变化基本上不影响流体粘度的变化。另外，与速度滑移相似，表面摩擦系数的变化主要取决于近壁区液氩数密度的分布。

目录

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摘 要

Abstract

目 录

第1章 绪 论

1.1 研究背景及意义

1.1.1 纳米技术和MEMS/NEMS

1.1.2 纳米尺度流动研究的重要性

1.2 研究现状

1.2.1 纳米尺度流动问题的研究方法

1.2.2 国内外纳米尺度流动问题的研究进展

1.3 本文研究的主要内容

1.4 本章小结

第2章 分子动力学方法

2.1 分子动力学的基本概念

2.2 分子动力学的局限性

2.3 本章小结

第3章 模型构建与程序验证

3.1 Couette流动及其速度场理论解

3.2 模型构建

3.3 运行环境

3.4 程序验证

3.5 本章小结

第4章 数值模拟结果及分析

4.1 纳米通道内的流体分子排列和数密度分布

4.2 纳米通道内流体的速度滑移

4.3 纳米通道内流动的阻力性质

4.4 本章小结

结 论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文及其它成果

哈尔滨工业大学硕士学位论文原创性声明

哈尔滨工业大学硕士学位论文使用授权书

致 谢