本文主要研究内容
作者汪宇莹（2019）在《纳米受限流体的非均匀结构及流动特性的数值模拟研究》一文中研究指出：流体在纳米通道中的限域传质现象广泛存在于现代化工技术。因缺乏对传质机制及调控方法的认识,人们难以对限域传质进行定量的描述,这使得相关材料及结构的应用受到制约。在限域传质中,传统流体力学模型普遍存在严重偏差,无法准确预测流动通量。此外,其突出的壁面作用对流动的影响十分显著,这使得限域传质的受控因素更具特殊性。以上种种问题都对纳米流体力学理论的发展提出了更进一步的要求。基于此,本文采用计算机模拟方法,分别针对纳米受限通道中的流体结构、压力驱动流动、毛细浸入流动及复杂大分子接枝壁面间的流动问题进行了系统的研究,探究了流体流动规律,发展了相关数学模型,同时在现有模拟方法的基础上开发了更为高效精确的多尺度耦合模拟方法。具体工作以及主要成果如下:(1)采用耗散粒子动力学(Dissipative Particle Dynamics,DPD)模拟方法对流体的纳米受限行为进行了深入的研究,考察了受限流体的非均匀结构及其特殊的流动现象。同时,利用DPD模拟研究了纳米受限通道的阻力构成,并探讨了孔道结构及壁面性质对流动阻力的影响。结果表明,纳米受限流体存在非均匀边界区,且边界区受壁面影响显著。边界区内的密度变化导致粘度变化,从而直接造成流速分布的改变以及通量的提高。此外,通过对纳米通道进行阻力分析,研究了孔道结构及壁面性质对流动阻力影响,并最终设计了阔口(亲水)-窄口(疏水)的优化结构。(2)基于Stokes方程,并综合考虑壁面附近流体的非均匀性,推导了适用于纳米受限流体的通量模型以及表观滑移距离模型,并采用DPD模拟结果以及前人的实验数据验证模型的准确性。在通量计算方面,推导建立了特征尺寸从原子尺度到宏观尺度的Poiseuille流体通量计算模型,打破了宏观流体与纳米流体之间理论的不互通性,并在理论上解释了纳米受限流体通量高于传统模型预测值的现象。在表观滑移距离方面,分别推导了适用于Couette流和Poiseuille流的表观滑移距离模型,该模型明确体现了表观滑移距离随通道宽度减小而增大的趋势。(3)基于水在层状石墨烯膜及碳纳米管膜中的毛细浸入及蒸发过程,采用分子动力学(Molecular Dynamics,MD)模拟方法研究了流体的自发输运。模拟研究表明,水在通道内的毛细浸入通量受表面张力、滑移距离、受限流体密度等多种因素影响,随通道宽度呈现非单调的变化过程,存在最优通道宽度。结合模拟结果,对描述毛细过程的Lucas-Washburn模型进行了修正,使其能够更为准确地描述纳米通道中的毛细过程及其受多种因素影响而产生的复杂变化趋势。而由毛细过程和蒸发过程合作产生的自发流动,随纳米通道长度的增加,流体通量由蒸发过程控制转化为毛细过程控制。针对蒸发控制过程和毛细控制过程,分别采用外、内表面亲水基团修饰可显著提高通量。其中,内表面的浸润性梯度使通道呈现流体二极管的特点。(4)基于现有的MD与DPD模拟方法,开发了MD-DPD耦合方法以在满足局部精确性的同时又能兼顾整体计算的高效性,并在简单流场中得到验证。该算法用于探索接枝聚合物及生物大分子的壁面与流场间的相互影响。结果表明,MD-DPD方法在解决复杂壁面间流体流动问题时具有明显的优势,其一方面能够达到与MD模拟相同的准确性,另一方面又在计算效率上实现了数倍至数百倍的提高。利用该方法进一步发展了大分子接枝壁面间的流体流动模型,可分别通过滑移距离修饰以及联立求解Brinkman与Stokes方程两种方式实现流场的求解。
Abstract
liu ti zai na mi tong dao zhong de xian yu chuan zhi xian xiang an fan cun zai yu xian dai hua gong ji shu 。yin que fa dui chuan zhi ji zhi ji diao kong fang fa de ren shi ,ren men nan yi dui xian yu chuan zhi jin hang ding liang de miao shu ,zhe shi de xiang guan cai liao ji jie gou de ying yong shou dao zhi yao 。zai xian yu chuan zhi zhong ,chuan tong liu ti li xue mo xing pu bian cun zai yan chong pian cha ,mo fa zhun que yu ce liu dong tong liang 。ci wai ,ji tu chu de bi mian zuo yong dui liu dong de ying xiang shi fen xian zhe ,zhe shi de xian yu chuan zhi de shou kong yin su geng ju te shu xing 。yi shang chong chong wen ti dou dui na mi liu ti li xue li lun de fa zhan di chu le geng jin yi bu de yao qiu 。ji yu ci ,ben wen cai yong ji suan ji mo ni fang fa ,fen bie zhen dui na mi shou xian tong dao zhong de liu ti jie gou 、ya li qu dong liu dong 、mao xi jin ru liu dong ji fu za da fen zi jie zhi bi mian jian de liu dong wen ti jin hang le ji tong de yan jiu ,tan jiu le liu ti liu dong gui lv ,fa zhan le xiang guan shu xue mo xing ,tong shi zai xian you mo ni fang fa de ji chu shang kai fa le geng wei gao xiao jing que de duo che du ou ge mo ni fang fa 。ju ti gong zuo yi ji zhu yao cheng guo ru xia :(1)cai yong hao san li zi dong li xue (Dissipative Particle Dynamics,DPD)mo ni fang fa dui liu ti de na mi shou xian hang wei jin hang le shen ru de yan jiu ,kao cha le shou xian liu ti de fei jun yun jie gou ji ji te shu de liu dong xian xiang 。tong shi ,li yong DPDmo ni yan jiu le na mi shou xian tong dao de zu li gou cheng ,bing tan tao le kong dao jie gou ji bi mian xing zhi dui liu dong zu li de ying xiang 。jie guo biao ming ,na mi shou xian liu ti cun zai fei jun yun bian jie ou ,ju bian jie ou shou bi mian ying xiang xian zhe 。bian jie ou nei de mi du bian hua dao zhi nian du bian hua ,cong er zhi jie zao cheng liu su fen bu de gai bian yi ji tong liang de di gao 。ci wai ,tong guo dui na mi tong dao jin hang zu li fen xi ,yan jiu le kong dao jie gou ji bi mian xing zhi dui liu dong zu li ying xiang ,bing zui zhong she ji le kuo kou (qin shui )-zhai kou (shu shui )de you hua jie gou 。(2)ji yu Stokesfang cheng ,bing zeng ge kao lv bi mian fu jin liu ti de fei jun yun xing ,tui dao le kuo yong yu na mi shou xian liu ti de tong liang mo xing yi ji biao guan hua yi ju li mo xing ,bing cai yong DPDmo ni jie guo yi ji qian ren de shi yan shu ju yan zheng mo xing de zhun que xing 。zai tong liang ji suan fang mian ,tui dao jian li le te zheng che cun cong yuan zi che du dao hong guan che du de Poiseuilleliu ti tong liang ji suan mo xing ,da po le hong guan liu ti yu na mi liu ti zhi jian li lun de bu hu tong xing ,bing zai li lun shang jie shi le na mi shou xian liu ti tong liang gao yu chuan tong mo xing yu ce zhi de xian xiang 。zai biao guan hua yi ju li fang mian ,fen bie tui dao le kuo yong yu Couetteliu he Poiseuilleliu de biao guan hua yi ju li mo xing ,gai mo xing ming que ti xian le biao guan hua yi ju li sui tong dao kuan du jian xiao er zeng da de qu shi 。(3)ji yu shui zai ceng zhuang dan mo xi mo ji tan na mi guan mo zhong de mao xi jin ru ji zheng fa guo cheng ,cai yong fen zi dong li xue (Molecular Dynamics,MD)mo ni fang fa yan jiu le liu ti de zi fa shu yun 。mo ni yan jiu biao ming ,shui zai tong dao nei de mao xi jin ru tong liang shou biao mian zhang li 、hua yi ju li 、shou xian liu ti mi du deng duo chong yin su ying xiang ,sui tong dao kuan du cheng xian fei chan diao de bian hua guo cheng ,cun zai zui you tong dao kuan du 。jie ge mo ni jie guo ,dui miao shu mao xi guo cheng de Lucas-Washburnmo xing jin hang le xiu zheng ,shi ji neng gou geng wei zhun que de miao shu na mi tong dao zhong de mao xi guo cheng ji ji shou duo chong yin su ying xiang er chan sheng de fu za bian hua qu shi 。er you mao xi guo cheng he zheng fa guo cheng ge zuo chan sheng de zi fa liu dong ,sui na mi tong dao chang du de zeng jia ,liu ti tong liang you zheng fa guo cheng kong zhi zhuai hua wei mao xi guo cheng kong zhi 。zhen dui zheng fa kong zhi guo cheng he mao xi kong zhi guo cheng ,fen bie cai yong wai 、nei biao mian qin shui ji tuan xiu shi ke xian zhe di gao tong liang 。ji zhong ,nei biao mian de jin run xing ti du shi tong dao cheng xian liu ti er ji guan de te dian 。(4)ji yu xian you de MDyu DPDmo ni fang fa ,kai fa le MD-DPDou ge fang fa yi zai man zu ju bu jing que xing de tong shi you neng jian gu zheng ti ji suan de gao xiao xing ,bing zai jian chan liu chang zhong de dao yan zheng 。gai suan fa yong yu tan suo jie zhi ju ge wu ji sheng wu da fen zi de bi mian yu liu chang jian de xiang hu ying xiang 。jie guo biao ming ,MD-DPDfang fa zai jie jue fu za bi mian jian liu ti liu dong wen ti shi ju you ming xian de you shi ,ji yi fang mian neng gou da dao yu MDmo ni xiang tong de zhun que xing ,ling yi fang mian you zai ji suan xiao lv shang shi xian le shu bei zhi shu bai bei de di gao 。li yong gai fang fa jin yi bu fa zhan le da fen zi jie zhi bi mian jian de liu ti liu dong mo xing ,ke fen bie tong guo hua yi ju li xiu shi yi ji lian li qiu jie Brinkmanyu Stokesfang cheng liang chong fang shi shi xian liu chang de qiu jie 。
论文参考文献
论文详细介绍
论文作者分别是来自中国科学院大学(中国科学院过程工程研究所)的汪宇莹，发表于刊物中国科学院大学(中国科学院过程工程研究所)2019-07-18论文，是一篇关于纳米流体学论文,限域传质论文,毛细现象论文,分子模拟论文,多尺度耦合模拟论文,中国科学院大学(中国科学院过程工程研究所)2019-07-18论文的文章。本文可供学术参考使用，各位学者可以免费参考阅读下载，文章观点不代表本站观点，资料来自中国科学院大学(中国科学院过程工程研究所)2019-07-18论文网站，若本站收录的文献无意侵犯了您的著作版权，请联系我们删除。
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