【摘 要】
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微纳米流动系统因其高效、经济等优势在国防、环境监测、制药等方面具有十分广阔的应用前景,如微型传感器、化学分析、DNA分析和测序、药物输送等。在微纳米流动中,由于流动特征尺度的减小导致界面滑移现象对流动产生显著的影响。为能准确描述微纳米尺度下的液体流动并降低微纳米通道中的流动阻力,需要掌握界面滑移的一般规律及其机理。基于此,论文采用分子动力学模拟开展了界面滑移以及流场特性的研究,所取得的主要研究成果
【基金项目】
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国家自然科学基金面上项目“疏水微结构表面气液界面稳定性及其对流场和减阻的影响”(51109178); 国家自然科学基金面上项目“基于壁面润湿性调控的水滴导引方法及其在 PEMFC 中的应用研究”(51879218);
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微纳米流动系统因其高效、经济等优势在国防、环境监测、制药等方面具有十分广阔的应用前景,如微型传感器、化学分析、DNA分析和测序、药物输送等。在微纳米流动中,由于流动特征尺度的减小导致界面滑移现象对流动产生显著的影响。为能准确描述微纳米尺度下的液体流动并降低微纳米通道中的流动阻力,需要掌握界面滑移的一般规律及其机理。基于此,论文采用分子动力学模拟开展了界面滑移以及流场特性的研究,所取得的主要研究成果和创新点有:(1)研究了固体表面液体结构和粘附强度。首先从静态角度出发,获得了固液界面液体的三维类固体结构,给出了类固体结构的特征;所得到的结构特征与实验结果相一致,表明论文采用Lennard-Jones势能函数可以准确表征固液之间的相互作用。然后从动态的角度出发,给出了固体表面粘附强度与固体润湿性之间的定量关系,这一关系与前人的实验结果吻合一致。从静态和动态两个角度出发验证了本文所选取的固液相互作用势能函数,运动方程的积分算法,温度控制方法,时间步长的选取和宏观统计量计算等方法的可靠性。(Sci.Rep.-UK,2016;Appl.Surf.Sci.,2018)(2)研究了弱剪切条件下大范围固液相互作用强度对滑移的影响规律。发现了两种滑移模式。在强固液相互作用模式下,滑移随着固液相互作用强度的减小而增大;而在弱固液相互作用模式下,滑移随着固液相互作用强度的减小而减小。滑移长度取得最大值时对应的临界固液相互作用强度随温度的增加而增大,但是不随驱动力的变化而变化。通过考察基于密度加权平均的原子跃迁能垒,推广了前人的滑移模型,完整阐释了两种滑移模式的机理。(J.Chem.Phys.,2017,封面论文)(3)研究了强剪切和粘性加热条件下固液界面的滑移行为及其机理。在强、弱固液相互作用强度下液体的平均温度会随剪切率的增加而显著升高。随着剪切率的增加滑移长度会在强(弱)固液相互作用强度时从小(大)变化至一个定值。通过考察第一液体层中静态结构因子的主峰值S(G1)/S(0)和第一液体层与固体之间的平均距离DWF,分析了这些滑移行为,定量给出了粘性加热效应对滑移规律的影响机理。(Phys.Rev.E,2017)(4)研究了纳米结构表面气液界面上的滑移特性。发现气液界面附近液体的剪切应力随法向距离逐渐减小,且剪切应力量值远低于固液界面。相应地液体的正应力在气液界面处随水平位置逐渐增加,剪切应力和正应力相互平衡,维持系统的定常流动。从原子尺度证明了纳米结构表面气液界面的滑移特性为复合滑移条件,即在气液界面边界区为有限滑移条件,在气液界面中心可认为是无限滑移条件。这一复合滑移边界条件成功解释了不同尺度下前人关于规则结构表面液体滑移流动相互矛盾的研究结果。(5)研究了粗粒化模型下高分子流体在固体表面的滑移边界控制方法。通过引入一个表面摩擦控制项,首先从理论上推导出了边界位置和滑移长度的解析表达式,将滑移长度和边界位置与高分子流体的内在性质,如高分子尺寸,聚合度,粘性等建立了联系。数值模拟和理论预测均表明边界位置与表面摩擦项强度以及高分子粗粒化程度无关,滑移长度与表面摩擦项强度成幂次依赖关系,δB~γWT-1/3。这一幂次关系可用于计算表面摩擦项的强度以使滑移边界条件独立于高分子的粗粒化程度。
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