纳米流动的分子动力学模拟及其在混凝土中氯离子微观扩散中的应用

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随着科技的发展,需要了解纳米尺度下流体流动及纳米通道中粒子输运的特性。本文采用分子动力学方法,对纳米通道中流体流动及混凝土纳米孔隙中氯离子扩散问题进行了模拟分析。   首先,论文介绍了分子动力学模拟的基本原理,阐述了分子动力学模拟的详细步骤,并对分子动力学模拟过程中的一些技巧进行了说明。具体介绍了分子动力学的特点及适用范围,论述了分子动力学是进行纳米尺度研究分析的有效方法。   其次,论文以平板型纳米通道内流体为研究对象,采用分子动力学模拟方法,探讨了通道中流体分子数密度的分布特征,分析了其形成原因。重点考察了纳米通道中分子数密度分布的影响因素,证实了壁面浸润性和系统温度大小会影响通道中流体分子数密度分布,而通道中流体的流动速度却不影响数密度的分布。分析了纳米通道内的流动特征,发现在密度震荡区的流动性质很特殊,不能通过经典流体力学理论预测。对于宽度为5个特征长度的纳米通道,当壁面发生匀速相对运动时,其间流体的速度分布受通道壁面浸润性影响:当浸润性较小时,通道中速度呈线性分布,而当浸润性较大时,通道中速度分布形式却不为直线。浸润性还会影响到纳米通道中的速度滑移现象,浸润性越大的通道中滑移速度越小。对于纳米尺度下的Poiseuille流动,纳米通道中流动速度分布形式受通道中流动速度大小的影响,当速度较小时,通道中速度成抛物线形状分布,而随着速度的增大,通道中的速度分布形式逐渐转向活塞头形状分布。   第三,论文对纳米圆柱绕流进行了分子动力学模拟,考察了尾迹流场特点,探讨了漩涡形成的机理。模拟发现,来流速度大小会影响尾迹的形式。当速度较大时,在圆柱后最初会同时形成两个对称的漩涡,此对漩涡在向下游移动的过程中很不稳定,其中一个漩涡迅速消散,而另一个漩涡则继续向下游移动。随后圆柱后边会逐个产生漩涡并脱落,尾迹与卡门涡街类似。当速度较小时,流体贴着圆柱流过,圆柱后无漩涡出现。   最后论文对氯离子在混凝土孔隙中的扩散现象进行了分子动力学模拟分析,结果发现混凝土孔隙壁面中结合氯离子会影响溶液中各种离子的分布,也会影响孔隙液中氯离子的扩散速度。孔隙中结合氯离子浓度越高,溶液中自由氯离子的扩散速度越慢,验证了孔隙壁中结合氯离子的阻塞效应。
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