随着微电子机械系统的迅速发展,流体在微、纳米通道内的流动问题在过去的二十年中已经倍受关注,迫切需要人们提高对流体在纳米尺度微通道内的流动及传输特性的认识。本篇论文研究了流体在平行壁纳米微通道内流体的数值模型、运动特性和边界条件；考察了液体在碳纳米管内的传输现象和机理；提出并分析了使用碳纳米管对气体实施分离的数值模型和分离机理,并通过对选择性和渗透性的权衡验证了该模型的有效性。文中所有的原子、分子模拟都是基于分子动力学模拟方法。所获得的研究结果可能为将来继续探索纳米微通道流的模型和机理提供新的视角和线索。Poiseuille流的相关研究是宏观流体力学的一个基本问题。在微尺度模拟中,如何在流体内部产生一个恒定的压力梯度是一个非常重要的问题。本文提出了一个“通道移动”压力驱动模型,可以有效地在流体内部产生一个恒定的压力梯度。采用分子动力学方法,对孔宽在2.611-5.595nm的平行壁微通道内的压力驱动流进行了模拟和分析。考虑边界滑移的情况下,研究了压力梯度、平均流速和微通道孔宽的关系,并与连续介质方程进行了比较。结果发现,该模拟尺度下的压力梯度与平均流速几乎成线性关系；压力梯度与平均流速的比值随着孔宽的增大而非线性降低；模拟结果与连续介质描述的偏差随着微通道孔宽的减小而增大。纳米微通道内流体的努森数较大,往往处在滑移流区甚至过渡流区。部分连续介质假定在纳米尺度的失效导致了控制方程的不确定性。但人们仍希望寻求一些修正方法来使得部分连续介质控制方程能够沿用到纳米尺度的微通道流动问题。本文通过对传统二阶速度滑移边界条件所存在局限性的分析,提出了一个修正二阶速度滑移边界条件,并结合Navier-Stokes(N-S)方程对纳米微通道内的流体运动进行描述。修正后的二阶滑移边界条件不仅与努森数和切向动量适应系数有关,而且也依赖于滑移层在努森层内的相对位置。针对努森数在0.1～0.3附近的纳米通道流,首先采用Couette模型计算了流体本构关系,以此来验证该模拟系统内流体的牛顿流本构关系。然后模拟并考察了Poiseuille流的速度轮廓和内部剪应力分布。通过修正二阶速度滑移条件下的N—S方程描述与分子动力学结果的对比,并把获取的切向动量适应系数的数值范围与实验中的数值范围进行比较,都验证了修正后的二阶速度滑移边界条件的合理性。此外,考虑了流—固耦合强度、系统温度和固体密度等因素对边界滑移的影响。结果发现,弱的流—固耦合强度、较高的温度和固体密度会导致较大的边界滑移速度。这项研究提供了一个有效的流体滑移边界条件,一定程度上拓宽了N-S方程在纳米尺度流体研究的适用范围。碳纳米管可以看作一种特殊的纳米微通道,它有一个很重要的应用是可以作为纳米管道来传输液体。为了能使表面张力较大的液体进入到碳纳米管的内部空腔,通常采用施加足够大的外部压力和降低固—液界面的表面张力两种办法。本文提出了压力控制数值模型,可以计算液体水银能够进入碳管内部的临界压强值,并考察了压力控制下的液体传输现象。通过分子动力学模拟发现,持续加压可以实现液体水银在碳管内的连续传输；而当对液体周期性地施加压强时,同样可以实现水银在碳管内的持续传输,这样优势是可以减少持续对液体施加较大压力所做的额外功。双壁碳管的传输效率虽然略低于单壁碳管,但传输过程更加平稳。本文还研究了双壁碳管的电浸润传输现象和机理,计算得出了保持外管不变情况下内管能够发生电浸润现象的临界管径。当对双壁管外管施加电压时,能够实现内管的电浸润传输；而对双壁管内管施加电压时,没有电浸润现象发生。电浸润传输效率随着内管管径的增大而提高,而双壁管内外管之间的空间在当前模型下没有电浸润现象发生。气体分离,作为流体传输的特殊形式,也是碳纳米管的输运功能之一。本文提出了一种弯曲碳纳米管模型,对氮气和氧气的混合气体进行分离过程进行了研究。分子动力学模拟发现,弯曲的单壁碳管可以有效地阻止氮气分子而让氧气分子顺利通过。该模型的渗透性随着碳管弯曲角度的增大而降低,而对氧气的选择性随着弯曲角度的增大而提高。所以可以方便地通过改变碳管的弯曲角度来获取所需要的氧气的纯度和渗透率。采用线性加权法对氧气的选择性和产量进行了权衡计算,得出了单壁碳管分离该混合气体的最佳弯曲角度。更重要的是,通过增大碳管的管径,并在最佳弯曲角度情况下,可以在保证氧气纯度的同时提高氧气的渗透率。此外,对气体温度、压强、混合气体组成比例和气体供应速度等对筛选效果的影响进行了探讨,发现较高的压强、适中的温度、较低的气体供应速度都有利于该模型对混合气体的分离；而氮气在混合气体占有的比例低于3/4时,氧气的纯度都可以保证在80%以上。