纳米孔隙中混合气体流动及边界滑移特性研究

发布时间：2019-07-22 21:03

【摘要】：当前,自然科学与技术的发展方向不断向着宏观尺度领域和微观尺度领域拓展,在人类不断探索了解未知外太空时,对于微纳尺度下的世界也逐渐引起了专家学者的密切关注。微纳机电系统和微流体相关器件自20世纪末诞生以来已经得到了迅速的发展,并且掀起了器件向微/纳米尺度发展的热潮。微纳尺度气体流动的研究推动了流体力学向微观尺度发展的趋势,不同于常规尺度流动力学,当尺寸不断减小许多用于描述宏观尺度流体的基础理论难以对微纳尺度下气体流动出现的现象进行合理的表征。因此,开展微纳尺度下气体流动机理的研究将为相关基础理论的完善和器件设计与生产提供重要的理论依据。本文借助分子动力学方法研究了混合气体在平行板纳米通道中的流动和边界滑移特性,得出的结论可能能够给予后续微纳尺度气体流动规律的研究工作提供一定的借鉴意义。采用分子动力学方法对氮氧混合气体在孔宽大小为3.155~9.465 nm的平行壁纳米孔隙中的Couette流进行了研究。研究结果表明:在该模拟尺度内当模拟通道宽度一定的情况下,通道内流体的剪切应力和剪切应变率呈线性关系,即流体内部剪切粘性为定值,且随着孔隙特征宽度的增加而增大。当孔隙宽度达到临界值7.8875 nm时,孔隙特征尺寸对剪切粘性的影响逐渐减小。并且还发现,当平行壁通道宽度不断的增大,气固界面处的速度滑移逐渐减小,而当通道宽度较小时,滑移速度减小幅度很大;随着孔宽的进一步增大,滑移速度呈现近似线性的降低,但减小幅度明显降低。此外,讨论了气-固耦合作用强度、氮氧混合气体比例等影响因素对边界滑移的影响,发现流-固耦合作用强度的增加会导致边界处滑移速度的减小;随着混合气体中氮气比例的增加,孔隙中剪切粘性也随之增大,该结果不同于宏观系统中氧气的粘性始终大于同温度下氮气的粘性的结论,其主要原因是由于氮气在纳米孔隙边界更易发生“类固体”效应。随后,在原有氮氧混合气体模型的基础上,引入不同比例的二氧化碳气体。模拟结果显示:随着体系中二氧化碳比例的不断增加,混合气体的滑移速度出现了增大的趋势。并且当二氧化碳的比例低于20%时,混合气体的速度沿通道宽度方向线性变化,而当二氧化碳的比例增加到40%后,其速度运动曲线不再呈现单一的线性变化,其速度曲线由通道主流区和近壁面流动区两部分组成。在通道主流区内混合气体流动速度沿孔宽方向依然为线性变化,而在近壁面区域则为非线性变化。同时,以混合气体中二氧化碳所占比例为20%为例,研究对比发现,二氧化碳占比为20%的混合气体与氮氧混合气的滑移速度随着通道宽度的增大出现了一致的变化趋势。此外,对于不同的通道宽度,二氧化碳占比为20%的混合气体在壁面处的滑移速度始终大于氮氧混合气体的滑移速度,并且发现,两者的滑移速度之差受通道宽度变化的影响较弱。
【学位授予单位】：江苏大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：O35

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