粗糙固体表面对流动与传热影响机理的分子动力学模拟研究

摘要

纳尺度流动与传热在微机电系统、航天技术及生物医学等方面都有着广泛的应用，该研究对于探索微观运动传递规律具有重要的科学意义。当宏观尺度转为纳尺度，流动通道尺度急剧减少，比表面积也随之急剧增加，表面粗糙对流动与传热作用也相应凸显。表面粗糙度对流动与传热的影响机理研究已经成为当前微尺度传热传质研究中的重要前沿热点问题。
　　在纳尺度系统中，物质输运和能量传递均发生在一个受限的纳尺度空间中，导致出现了表面粗糙度效应、壁面速度滑移与温度阶跃效应以及黏性耗散效应等。为深入揭示这些纳尺度效应及其发生机理，本文建立了粗糙纳通道内液体热传导、粗糙纳通道内流体流动与传热耦合过程以及倾斜粗糙表面上颗粒流动等三个理论模型，采用分子动力学方法进行了数值模拟，研究了固体粗糙表面对纳尺度流动传热、速度滑移以及温度阶跃的影响规律。概括起来，本论文的主要研究内容和取得的主要结论如下:
　　(1)粗糙固体表面温度阶跃的分子动力学模拟研究表明:在固体壁面附近，液体温度偏离了线性分布，液固界面处出现了温度阶跃。与光滑表面相比，粗糙度的存在降低了液固界面处的温度阶跃程度。粗糙高度的增加扩大了液固相互作用面积，延长了近壁面附近的液体分子与固体之间的能量交换时间，强化了液固界面的能量传递，从而使得界面处温度阶跃降低。另外，提高液固相互作用强度或者降低固壁刚度均可使液固界面处温度阶跃程度减小。
　　(2)粗糙纳通道内流体流动与传热耦合过程的分子动力学模拟研究表明:在外力作用下，纳通道主流区域的速度分布呈抛物线分布，流体流动的黏性耗散使得纳通道内流体的温度分布呈现中心区域高而固壁附近温度低，并且在壁面附近出现温度阶跃和速度滑移现象。在近壁面区域内，流体密度分布出现了有序振荡现象，表明流体产生了分层分布。表面粗糙度的存在使得流体剪切流动产生了额外的黏性耗散，使得粗糙纳通道内的流体速度水平小于光滑通道，温度水平高于光滑通道，并且粗糙表面的速度滑移与温度阶跃均小于光滑通道。另外，固液相互作用强度的增大和壁面刚度的减小均可导致界面处速度滑移和温度阶跃程度降低。
　　(3)倾斜粗糙表面上颗粒流动的分子动力学模拟研究表明:相比于光滑表面，粗糙表面上颗粒流动的整体速度水平较低，速度滑移程度较小，粗糙表面附近的颗粒填充密度略大。靠近自由表面，颗粒的流动速度大，且在固体表面处存在速度滑移。在颗粒流的中心区域，填充密度为一常数，但在固体表面附近不存在有序振荡现象，这与常规流体流动的密度分布不同。并且，固体表面倾角、颗粒摩擦系数、固体表面颗粒间距等对颗粒流动行为有着重要影响。

目录

声明

摘要

主要符号表

第一章 绪论

1．1 课题研究背景及意义

1．2 纳尺度流动与传热的研究现状

1．2．1 纳尺度流动与传热特征及模拟方法

1．2．2 固体表面对纳尺度流动与传热的影响研究

1．3 颗粒流的研究现状

1．3．1 颗粒流的特征、分类及模拟方法

1．3．2 固体表面对颗粒流动的影响研究

1．4 本文的主要研究内容

1．5 本章小结

第二章 粗糙固体表面温度阶跃的分子动力学模拟

2．1 引言

2．2 分子动力学模拟方法

2．2．1 模拟步骤

2．2．2 势能函数

2．2．3 边界条件

2．2．4 时间积分

2．2．5 系综的选取

2．2．6 系统温度校正方法

2．2．7 宏观特性的统计

2．3 粗糙固体表面温度阶跃的理论模拟

2．4 模拟结果分析与讨论

2．3．1 径向分布函数

2．3．2 温度分布

2．3．3 温度阶跃

2．5 本章小结

第三章 粗糙纳通道内流体流动与传热的分子动力学模拟

3．1 引言

3．2 粗糙纳通道内流体流动与传热的理论模拟

3．3 模拟结果分析与讨论

3．3．1 分子运动轨迹

3．3．2 液体微观结构

3．3．3 速度和温度分布

3．3．4 速度滑移和温度阶跃

3．4 本章小结

第四章 粗糙表面上颗粒流动的分子动力学模拟

4．1 引言

4．2 粗糙表面上颗粒流动理论模拟

4．3 模拟结果分析与讨论

4．3．1 速度分布

4．3．2 密度分布

4．3．3 粗糙表面颗粒流动的影响因素分析

4．4 本章小结

第五章 结论与展望

5．1 结论

5．2 创新点

5．3 展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间取得的主要学术成果