壁面滑移流动的分子动力学模拟研究

论文摘要

壁面滑移流动机理是稀薄气体流动研究中亟待解决的基础性问题,它与气体分子在壁面处的运动状态密切相关。本文对气体流动的壁面滑移机理和气体分子与壁面相互作用规律进行了分子动力学模拟研究。针对微尺度Couette和Poiseuille气体流动,建立了二维分子动力学模拟(2DMD)模型,得到了流动的速度分布和密度分布,将模拟结果和滑移边界条件下的解析解进行对比和验证,表明分子动力学模拟方法能够很好地模拟气体的壁面滑移流动。针对Couette气体流动模型,改变模拟参数,得到流动在不同气体分子数密度、势能系数以及壁面温度下的速度和数密度分布;对模拟结果的分析表明壁面滑移和近壁区域的气体分子数密度有着密切的联系,近壁区域分子数密度越小,滑移越明显。势能系数和壁面温度会造成近壁区域气体分子数密度的改变,从而影响气体流动的壁面滑移大小。针对气体分子和壁面的相互作用,采用不同壁面模型,调节势能作用和壁面温度的大小,得到气体分子在不同条件下的运动轨迹、反射速度分布以及动量适应系数;发现气体分子在表面有三种典型反射行为:直接反射、多次碰撞反射以及吸附后反射;揭示了气体分子入射速度、势能作用以及壁面温度对气体分子与表面相互作用规律的影响。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.2 壁面滑移流动研究概况
• 1.2.1 切向动量适应系数
• 1.2.2 气体分子与壁面的相互作用机理
• 1.3 本文的主要研究内容
• 第二章 二维气体分子运动论与滑移边界模型
• 2.1 气体分子运动论
• 2.1.1 Maxwell分布
• 2.1.2 二维平衡态气体特征速度
• 2.1.3 分子平均自由程
• 2.2 努森数和流动领域划分
• 2.3 分子与表面相互作用
• 2.4 滑移流边界条件
• 2.5 滑移流边界条件下简单流动的解析解
• 2.6 本章小结
• 第三章 分子动力学模拟
• 3.1 分子动力学模拟方法
• 3.1.1 分子动力学模拟的运动方程
• 3.1.2 势能函数
• 3.1.3 分子间作用力的计算
• 3.1.4 时间积分
• 3.1.5 宏观量的统计
• 3.1.6 温度校正方法
• 3.1.7 分子动力学模拟实现的一般性步骤
• 3.2 系统模型
• 3.2.1 壁面模型
• 3.2.2 相互作用模型
• 3.2.3 约化单位
• 3.3 滑移流动的模拟
• 3.4 本章小结
• 第四章 气体流动的壁面滑移机理研究
• 4.1 气体分子数密度对气体流动壁面滑移的影响
• 4.1.1 模拟条件
• 4.1.2 模拟结果及分析
• 4.2 壁面势能作用对气体壁面滑移的影响
• 4.2.1 模拟条件
• 4.2.2 模拟结果及分析
• 4.3 温度对壁面滑移的影响
• 4.4 气体分子在表面的运动行为
• 4.5 本章小结
• 第五章 气体分子与表面相互作用的微观机理研究
• 5.1 不同壁面模型对气体分子在表面运动行为的影响
• 5.2 壁面温度对分子散射行为的影响
• 5.2.1 模拟细节
• 5.2.2 模拟结果
• 5.3 势能相互作用对分子散射行为的影响
• 5.3.1 势能系数对气体分子反射速度的影响
• 5.3.2 势能系数对切向动量适应系数的影响
• 5.4 本章小结
• 结束语
• 致谢
• 参考文献
• 作者在学期间取得的学术成果