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液/固界面存在的滑移现象一个世纪以来备受关注。近期的实验发现其滑移长度可达到微米量级。疏水表面的微纳米粗糙结构会导致超疏水现象,大幅度增大滑移。传统的连续介质理论难以描述超疏水界面的滑移特性;分子动力学可用于模拟超疏水界面,却受制于计算量,模拟的尺度相当有限。
本文发展了分子动力学-连续介质力学分区耦合算法。耦合法将计算空间分为连续区、粒子区和二者的重叠区三部分。连续区使用基于连续介质理论的Navier-Stokes方程求解,粒子区使用基于离散模型的分子动力学求解,两种方法在重叠区内实现信息的交换和物理量的连续。耦合算法可以描述液/固界面的滑移边界条件,拓展模拟的空间尺度。在基于动量通量守恒的基础上,本文发展了动态耦合模型下的约束分子动力学方法,实现了并行分子动力学程序LAMMPS和有限体积法NS方程求解程序的耦合。耦合算法在首先被应用于具有无滑移边界条件的Couette流。结果显示两种算法在重叠区内得到很好的耦合,流场速度剖面与理论解析解一致。本文进一步将耦合法应用到具有超疏水边界的Couette流,结果显示耦合法能够捕捉到超疏水表面的滑移速度,滑移长度长达800σ,预示着超疏水材料在流动控制和减阻上的重要应用价值。此外,本文对超疏水界面增大滑移的分子机理也做了相关研究。