微纳尺度气体流动速度滑移的分子动力学研究

发布时间：2020-08-04 12:38

【摘要】：随着科技的进步和纳米技术的发展,各种微纳器件的应用越来越广泛。很多微纳器件内都涉及气体的流动。由于特征尺度很小,受壁面作用和稀薄效应的影响,微纳尺度通道内的气体流动有别于宏观流动,基于宏观流动理论得到的各种结论将不一定正确,这会极大影响仪器的测量精度。因此,非常有必要研究微纳尺度下气体流动的特性,本文主要从这方面开展工作。当通道尺度较小时,壁面附近的气体会出现偏离平衡态的情况,从而在壁面上会出现速度滑移现象,这对流动影响非常大。本文采用分子动力学方法研究光滑壁面和粗糙壁面下的速度滑移现象,考虑了Poiseuille流和Couette流两种流动。对于光滑壁面的Poiseuille流动,首先研究了不同驱动压力、密度、温度和流固作用强度对速度滑移的影响。得到驱动压力越大,速度滑移越大,且呈线性增长趋势;速度滑移随密度的增大而减少,并且得到速度滑移随Kn的增大而增大;在小密度时,温度越大,速度滑移越大;速度滑移随着流固作用强度的增大先不断减少,后有所增加。其次研究多个因素的组合对速度滑移的影响,得到了在不同密度、温度、流固作用强度下,速度滑移均随着驱动压力的增大而增大;在研究不同温度下速度滑移随着密度变化时得到,在较小密度情况下,速度滑移随着温度的增加而不断增大,但当密度较大时,速度滑移随着温度的增大而减小;研究不同流固作用强度下密度对速度滑移的影响时得到了流固作用强度较小时,速度滑移随着密度的增大而不断减少,当流固作用强度较大时,随着密度的增大产生了负滑移;当继续增大流固作用强度,在小密度的情况下,速度滑移有所增加;对于密度较大时,流固作用强度的增加几乎不影响速度滑移的大小;还得到了流固作用强度较小时,速度滑移随着温度的增大而增大,流固作用强度较大和温度较低时,气体分子出现凝聚,导致速度滑移变大。对于光滑壁面的Couette流动得到的结论基本和Poiseuille流动一致。关于粗糙壁面的研究,首先提出了粗糙壁面的虚拟壁面方法,得到相同条件下虚拟壁面的模拟结果和真实壁面的模拟结果吻合,但是模拟效率提高了200多倍。然后用该方法对两种流动的粗糙壁面进行了速度滑移的研究,分别从不同粗糙元的纵横比、间距和高度进行研究。对于不同粗糙元的纵横比、间距、高度,两种流动的结果符合得比较好。两种流动的速度滑移都是随着粗糙元纵横比的减少而增大,随粗糙元间距的增大而增大,随粗糙元高度的增大而减少。
【学位授予单位】：中国计量大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：O64
【图文】：

中国计量大学硕士学位论文的学者，关注的也是流场中流体速度的变化，对于速度滑移度滑移的定义ouette流和Poiseuille流两种不同的流体流动方式对速度滑移进.1 是二维 Couette 流动下的速度滑移的定义，由把(1-1)式 Nav算，可直接得到 Couette 流的速度滑移 us。

图 1.1 二维 Couette 流动速度滑移示意图图1.2为二维Poiseuille流速度滑移的定义。在考虑速度滑移的情况下，速度分布为[55]：2212x sh dP zu uμdx h = + (1-3)上式中 μ 为粘度，h 为通道中心到壁面的距离。把(1-1)式 Navier 边界条件代入(1-3)得到：221 22sxh dP zLuμdx h h = + (1-4)得到壁面摩擦系数如式(1-5):12 1Re1 6fsCLH=+(1-5)Re 为雷诺数，在无滑移的情况下，滑移长度 Ls为 0，所以(1-3)中的 us项和(1-4)中的最后一项都不存在，流体变为常规流动，壁面摩擦系数 Cf为 12/Re。5

图 1.3 流动区域划分及相应的控制方程纳尺度流动研究方法尺度下流体流动研究方法也分为三大类：实验研究，理论研究和与宏观研究方法相同。往往是发现一个新现象及其相关的规律的基础，但由于微纳尺度尺度效应，给实验研究带来极大挑战。现有研究微纳尺度流体流包括了 AFM，NFVL，SFA，PIV 技术等，但是这些实验仪器的精微纳尺度的要求，并且实验所依赖的模型几乎都是假想的，所以大的误差，这也是微纳尺度下实验研究匮乏的原因，即使有部分的方式来研究微纳尺度的流动特性，不仅存在较大的误差，而且交界面上的特性。研究是实验和模拟的基础，通过建立相应的数学模型，求解模型揭示相关物理现象。但是求解过程十分复杂，并且对于流固交界[25]

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本文编号：2780562