微纳尺度通道中气体运动特性的分子动力学研究

摘要

随着纳米技术的飞速发展，微/纳机电系统的使用越来越广泛。在各种微/纳机电系统中，经常涉及到微纳米尺度的流体流动。随着特征尺度的变小，流动出现不同于宏观尺度的流动现象，目前对于其流动机理的研究还远远不够。本文采用分子动力学方法深入研究了纳米尺度通道中的气体流动现象。
　　首先在分子动力学模拟中提出了一种粒子反射膜方法，实现了纳米通道中气体的压强驱动流动。研究发现，当气体密度较低时，通道中的压强比（进出口压强差与平均压强的比值）随着膜反射率与通道长宽比的增加而增加，而与流动 Kn数、气体温度无关。根据模拟结果给出了一个经验公式来表征压强比与膜反射率以及通道长宽比之间的关系。利用该公式，可以根据通道尺寸和进出口压强，设定膜的反射率。通过比较压强驱动流动与力驱动流动的结果，分析了粒子反射膜方法的适用范围。
　　其次针对纳米尺度气体流动中壁面分子数过多，计算量过大的问题，根据壁面分子周期性排列的特性，提出了虚拟壁面方法。该方法可以简化流体分子与壁面之间相互作用力的计算，大大减少了计算时间。流体密度越低，效果越明显。文中将虚拟壁面方法应用于Poiseuille流动、Couette流动以及粗糙壁面流动中，发现该方法计算的结果与采用真实壁面计算的结果完全一致。而且，虚拟壁面方法在大截断半径的模拟中优势更大。
　　最后将分子动力学方法与 Burnett方程的模拟结果进行了比较。比较中，两种方法的流场尺寸、进出口压强、初始气体密度等参数保持一致，通过改变 Burnett方程中切向动量协调系数来保证两种方法的质量流率一致。比较发现，当切向动量协调系数在0.4~0.5之间时，两种方法得到的速度、温度、压强等参数在通道中间部分都符合较好。而在壁面附近，由于气体与壁面分子的相互作用，流体呈现出非线性现象，此时，分子动力学方法更有优势。

目录

封面

声明

致谢

中文摘要

英文摘要

目录

1 绪论

1.1 研究背景

1.2 微纳尺度气体流动及模拟方法

1.3 微纳尺度气体流动的影响因素

1.4 微纳尺度气体流动的研究现状

1.5 论文主要内容

1.6 论文创新点

2 分子动力学方法

2.1 分子动力学简介

2.2 分子动力学方法的基本原理

2.3 分子动力学模拟的基本概念

2.4 分子动力学模拟的系综

2.5 本章小结

3 压强驱动流动

3.1 压强驱动流的介绍

3.2 压强驱动流动的实现

3.3 影响压强比的参数

3.4 后向台阶流模拟

3.5 本章小结

4 虚拟壁面方法

4.1 近壁面流-固作用

4.2 虚拟壁面模型的理论基础

4.3 静止壁面Poiseuille流

4.4 移动壁面Couette流

4.5 虚拟壁面影响因素

4.6 虚拟粗糙壁面的应用

4.7 本章小结

5 分子动力学与Burnett方程的比较

5.1 Burnett方程介绍

5.2 Burnett方程边界条件设置

5.3 模拟系统的设置

5.4 结果比较

5.5 本章小结

6 总结与展望

6.1 总结

6.2 展望

参考文献

作者简介