微通道中流体流动与凝结特性的分子动力学研究

论文摘要

随着精密加工技术和微电子技术的发展,出现了越来越多的微电子机械系统（MEMS）器件。由于器件尺寸的减小,形成了许多微结构,这些微结构中流体的物理特性对器件的性能有着显著的影响。本课题正是以这些微结构中的流体为研究对象,在统计热力学理论的基础上,从微观角度出发,采用分子动力学模拟方法,利用经典的Lennard-Jones（L-J）势函数对微通道中流体的流动和凝结过程进行了研究。同时,本课题还对水蒸汽在波纹板上的凝结过程进行了研究。主要内容包括以下方面:1.针对平行微通道间流体流动和凝结问题,建立了在周期性外力作用下流体流动和凝结的分子动力学模型。2.利用前面建立的微通道模型,对氩流体在由亲水性和憎水性壁面构成的通道中的流动特性进行了对比研究。并对300℃不同密度的水蒸气在亲水性微通道中流动进行了模拟、分析。3.采用分子动力学方法,首次对不同压力（3.7177MPa和0.3833MPa）下水蒸汽凝结过程中出现的流型变化进行了模拟,并对影响流型间转变的因素进行了分析。4.采用恒热流密度降温法,对水蒸汽在波纹板上的凝结过程进行了研究,并和其在平板上的凝结过程进行了比较。5.由于壁面性质对通道中流体将产生一定的影响,本文从壁面附近层粒子运动轨迹,传热性能以及通道宽度方向上压力的变化三个方面对亲水性和憎水性壁面的性质进行了比较。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 国内外现状综述
• 1.2 微通道中流体流动特性的研究现状
• 1.3 微通道中流体凝结现象的研究现状
• 1.4 统计理论
• 1.5 研究微流体流动和凝结的意义
• 2 分子动力学模拟技术
• 2.1 基本原理
• 2.2 数值算法
• 2.3 边界条件
• 2.3.1 周期边界
• 2.3.2 非周期边界
• 2.4 基本热力学参数统计
• 2.4.1 温度统计
• 2.4.2 压力统计
• 2.5 恒温系综的实现
• 2.6 势函数
• 2.7 混合法则
• 2.8 物理量的无量纲化处理
• 3 微通道中流体流动的分子动力学模拟研究
• 3.1 分子动力学模拟细节
• 3.2 速度场和温度的分析解
• 3.3 模拟结果及分析
• 3.4 不同密度水的流动模拟结果及分析
• 3.5 本章小结
• 4 微通道中流体凝结的分子动力学模拟研究
• 4.1 高压下水蒸汽凝结过程流型的研究
• 4.1.1 试验方法与分子动力方法异同
• 4.1.2 不同壁面温度下水蒸汽凝结速率探讨
• 4.2 高压下流型转变原理探讨
• 4.2.1 射状流向塞状流转变原理探讨
• 4.2.2 塞状流向泡状流转变原理探讨
• 4.3 高压下水蒸汽凝结过程截面速度分布情况及分析
• 4.4 高压下水蒸汽凝结过程截面密度分布情况及分析
• 4.5 高压下水蒸汽凝结过程截面温度分布情况及分析
• 4.6 低压力下水蒸汽凝结过程探讨
• 4.7 不同性质壁面粒子运动轨迹的变化
• 4.7.1 水蒸汽在亲水性壁面间流动时粒子运动轨迹的变化
• 4.7.2 水蒸汽在憎水性壁面间流动时粒子运动轨迹的变化
• 4.8 不同性质壁面导热性能比较
• 4.9 不同性质壁面截面各层压力的变化
• 4.10 本章小结
• 5 水蒸汽在波纹板上凝结的分子动力学研究
• 5.1 分子动力学模拟方法
• 5.2 波纹板上凝结的计算模型
• 5.3 计算结果分析
• 5.4 本章小结
• 6 结论
• 致谢
• 参考文献
• 附录