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20世纪80年代末,研究人员开始关注以微机电系统(MEMS)器件为研究对象的微力学系统,微尺度下流体的流动性质的研究也日益得到人们的重视,并且在工业、电子信息技术及生物工程领域已经有着广泛的应用。在微流动中,由于流体所处流动环境的特殊性,一些在宏观条件下原本可以忽略的因素,比如尺寸效应和表面力等因素就要被考虑到微流体的受力之内。但是由于微流动本身的复杂性,给研究带来很大的困难和挑战,其流动机制还没有彻底弄明白。就目前的科学技术而言,还缺乏能够定量地精确测量微流动中各个物理量的条件。本文运用分子动力学模拟的方法,恰好可以弥补理论方法及传统实验在微流动研究方面的不足,为进一步认识了解并且利用微流动提供了一种有效的方法。
本论文以流体力学为基础,以平行板间的Poiseuille流为研究对象,用分子动力学模拟的方法研究了微流动中存在的壁面滑移现象及其减阻作用,并分析了液体启动压力梯度的产生机理等内容。
首先,论文介绍了微流动的研究背景及其发展状况;列举了微流动的影响因素及分子动力学模拟在减阻方面的研究进展;着重介绍了启动压力梯度的一些基本理论及其最新研究进展;比较全面地介绍了有关分子动力学模拟的基本原理,模拟过程以及具体的实现方法;展望了分子动力学的发展趋势。
论文接着介绍了壁面滑移的研究现状,建立了分子动力学模拟模型。通过改变壁面润湿性及外力作用的影响,研究了壁面润湿性对流体流速及壁面滑移速度的影响。研究表明,流体在强疏水性通道中流动时,边界处存在明显的滑移速度;而在强亲水性通道中流动时,靠近固壁处的流体几乎不流动,存在边界粘附层。接着分析了流体分别在强疏水性与强亲水性通道中流动时滑移长度与外力的关系。计算结果表明:无论是在亲水性还是疏水性通道,绝对滑移长度均随外力的增大而减小,并且趋于定值0。另外,我们对不同润湿性下通道宽度和外力对壁面滑移及滑移长度的综合影响也做了模拟计算,分析了流量及减阻率随外力变化的关系。研究表明:无论在疏水性还是亲水性通道,滑移速度均随外力的增大而增大;随通道宽度的减小,减阻率明显增大,显示出表面力在微纳米尺度下对流体流动的影响。
最后,从固壁润湿性的角度,分析了在亲水壁面条件下,边界粘附层的影响特征;并从分子受力角度证明了启动压力梯度的存在,解释了启动压力梯度的产生机理是由于固液相亲性造成的,为进一步研究微纳米尺度下液体的流动减阻提供了理论基础。