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《纳米通道内液体流动的滑移现象》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在工程资料-天天文库。
1、第55卷第10期2006年10月物 理 学 报Vol.55,No.10,October,2006100023290P2006P55(10)P5305206ACTAPHYSICASINICAn2006Chin.Phys.Soc.3纳米通道内液体流动的滑移现象•曹炳阳 陈 民 过增元(清华大学工程力学系,北京 100084)(2005年7月25日收到;2005年12月17日收到修改稿) 采用分子动力学模拟方法研究了液态氩在铂纳米通道内的流动,通过改变流体和壁面之间的势能作用获得了流体和通道表面之间浸润性质不同时
2、的滑移现象.研究发现:液体分子在亲水性通道表面附近呈类固体性质,数密度和有序性较大,而在疏水性表面附近的平均数密度降低,形成一个低密度层;液体流动在固体表面的速度滑移随着液体与表面势能作用的增强而减小,当液体和表面的浸润性不同时可以发生滑移、表观无滑移和负滑移现象;液体在固体表面的表观滑移是液体在固体表面的速度滑移、粘附和流体内部滑移的综合作用的结果.关键词:纳米尺度流动,速度滑移,浸润性,分子动力学模拟PACC:4760,4790,0340间的作用模型为基础,不引入常规假设,在探索纳米11引言尺度下的物理现
3、象方面具有独到的优势,进入20世纪70年代以来被用于探索纳米尺度的流体力学问近十几年来,自然科学和工程技术发展的一个题.Thompson等[10]采用分子动力学模拟方法研究了重要趋势是朝微型化和纳米化迈进,微纳电子机械两种不混合流体在纳米通道内的Couette流动,发现系统(MEMSPNEMS)将现代科学与技术真正推进到无滑移边界条件在接触线附近不成立.Thompson纳米尺度领域,并在工业、生物工程及信息技术等领[11]等后来的模拟揭示了滑移长度随速度剪切率的域获得了广泛的应用,因而迫切需要弄清纳米尺度关系
4、,并获得了从线性到非线性过渡的临界速度剪[1—4]条件下的流体流动规律.在常规尺度条件下,[12][13][14]切率.Sun等、Barrat等和Nagayama等对纳液体在固体表面流动的速度滑移由于很小而常常被米通道流动的分子动力学模拟研究都表明流体在疏忽略,但是对于纳米尺度流动,流体系统极大的面体水性表面会存在明显的速度滑移,例如文献[13]获比使得表面现象成为影响流动的主导因素,液体在得液体和表面的接触角为140°时的滑移长度达到了固体表面纳米量级的滑移也会给流体输运带来重要[5]30个分子直径尺度,但
5、是流体和表面为亲水性时则的影响.因此,纳米尺度流动中的滑移现象研究[15]没有速度滑移发生.Cieplak等的分子动力学模近几年来受到了国际上微纳尺度流体力学领域的广拟则发现滑移长度和流体分子在壁面附近的组织形泛关注.态有密切的关系.从前人的研究来看,液体同固体液体流动在固体表面发生的速度滑移现象已得到了实验和分子动力学模拟研究的支持.近几年的表面之间的浸润性是影响滑移现象的一个主导因一些实验提供了液体流动在固体表面存在速度滑移素,其滑移规律和物理机理还需要进一步研究.[6—9]本文采用分子动力学模拟方法研究
6、液态氩在纳的有力证据,并发现液体流动在疏水性表面容易产生较大的速度滑移,但在亲水性表面还未得到米通道内的Couette流动,通道壁面为铂及其模型固肯定的结论,另一方面,由于实验条件和测量精度的体,通过改变氩和壁面之间的势能作用来获得流体限制,对液体滑移现象的规律及其机理的认识还非和通道表面不同的浸润性,意在研究液体与通道表常有限.分子动力学模拟(MDS)方法以微观粒子之面之间的浸润性质对滑移现象的影响及其机理.3国家自然科学基金(批准号:10372051)资助的课题.•E-mail:caoby@tsinghu
7、a.edu.cn©1994-2006ChinaAcademicJournalElectronicPublishingHouse.Allrightsreserved.http://www.cnki.net5306物 理 学 报55卷和壁面之间的浸润性,其意义是指氩原子和壁面原21分子动力学模拟细节子之间的作用力相对于距离相等的氩原子和铂原子作用力的倍数,c越大则表示氩原子和壁面原子之模拟的纳米通道内液体的Couette流动系统如间的势能作用越强,c=1则表示氩原子和铂原子之图1所示.图中深色原子为以铂为模
8、型的固体壁间的势能作用.这样,液态氩和壁面之间的接触角[17]面,两壁面都平行于XY面,X、Y方向为周期性边界θ可表示为条件.浅色原子为液态氩,在上下两个壁面分别以cεArPtcosθ=2-1,(3)相同的速率U沿X方向作反向运动的作用下,通道ε-21内的液体形成Couette剪切流动.其中ε=1167×10J为氩原子之间LJ作用势的能氩原子之间以及氩原子和铂原子之间的势能作量参数.液态氩和固体表面
