發(fā)布時間：2020-11-04 09:40

　　 滑移現(xiàn)象在微/納機電系統(tǒng)中普遍存在,對于微/納機電器件的設(shè)計及應(yīng)用是不可忽視的因素之一。本文采用改進的分子動力學與連續(xù)介質(zhì)力學耦合的分區(qū)算法研究了微納米流動下的滑移特性。主要內(nèi)容包括:(1)研究了空間與時間耦合參數(shù)、連續(xù)區(qū)域向分子區(qū)域傳遞邊界的方案對于分區(qū)耦合算法精度的影響。結(jié)果發(fā)現(xiàn)耦合區(qū)域高度、A→C區(qū)域高度以及時間耦合參數(shù)均需取適中的參數(shù),過大或者過小均會影響分區(qū)耦合算法計算精度,而C-A區(qū)域高度在保證緩沖區(qū)域存在的情況下,取值越大,計算精度越高;最小約束動力學方法耦合方案模擬的結(jié)果精度最高、松弛動力學方法耦合方案其次,麥克斯韋緩沖方法耦合方案最差。此外,本文還提出了解決非周期邊界效應(yīng)的邊界力模型,采用此模型能夠很好模擬缺失的邊界力,并且易于擴展至多維。(2)運用改進的分區(qū)耦合算法研究了通道高度、固液相互作用參數(shù)對于滑移特性的影響。結(jié)果發(fā)現(xiàn)隨著通道高度的增加,相對滑移長度明顯下降最終降為零,但是不管通道高度如何改變,固液表面滑移的特征始終不會改變,同時,隨著通道高度的增加,在固體表面附近液體粒子的分布曲線幅值降低,震蕩變小;隨著勢能阱深度之比增加,固液界面從疏水表面轉(zhuǎn)變?yōu)橛H水表面,在此過程中,靠近固體粒子附近的液體粒子排布變得更加規(guī)則,并且出現(xiàn)的概率明顯增加,當固液粒子的直徑一致時,相對滑移長度達到最小值;不管固液相互作用參數(shù)如何變化,相對滑移長度和剪切速率始終存在某個線性關(guān)系。此外,相比較單純分子動力學方法,分區(qū)算法能夠極大地減少計算量。
【學位單位】：中國科學技術(shù)大學
【學位級別】：碩士
【學位年份】：2018
【中圖分類】：O33
【部分圖文】：

１．１研究背景??近些年來，微／納機電系統(tǒng)（ＭＥＭＳ／ＮＥＭＳ）隨著科學與技術(shù)的進步而迅速??發(fā)展，它是具有微米、納米尺度，采用微型集成電子的工藝集成、加工得到的微??型器件（Ｈｏ?ｅｔ?ａｌ．，１９９８，?Ｃｒａｉｇｈｅａｄ，２０００，?Ｇａｄ－ｅｌ?ｈａｋ，?１９９９）。ＭＥＭＳ?／?ＮＥＭＳ?器件??因具有尺度小、高集成度等優(yōu)點而被廣泛應(yīng)用于生物醫(yī)學、航天航空以及其他工??程等領(lǐng)域，比如：帶有熱交換器的冷卻電子電路器件（Ｌｅｇｉｅｒｓｋｉｅｔａ丨．，２００１）（如??圖１．１（３）），帶有微型反應(yīng)器的分離生物細胞器件汗１１丨＼＾丨￡１＇，丨９６５）（如圖丨．］〇５）），??使用電泳進行濃度控制的微米器件（Ｍａｖｒｏｇｉａｎｎｉｓ?ｅｔａｌ．，?２０１６）（如圖１．１（ｃ）），質(zhì)??子交換膜燃料電池（Ｐｅｉｇｈａｍｂａｒｄｏｕｓｔｅｔａｌ？，２０１０）（如圖ｌ．ｌ（ｄ））等。這些ＭＥＭＳ／??ＮＥＭＳ器件大部分都處于液體的工作環(huán)境，所以研宄微納米尺度下的液體流動??特性對于改善、優(yōu)化這些ＭＥＭＳ／ＮＥＭＳ器件的性能具有重要的意義。??隨著系統(tǒng)特征尺度的減小，微納米液體流動特性往往與宏觀流動存在很大的??差別，當系統(tǒng)的特征尺度從米量級下降到納米量級時，流體的流動會被限制在遠??離壁面附近的一層邊界里（Ｙａｎｇ?ｅｔ?ａｈ，?２０１０），表面力與體積力的比值會發(fā)生本質(zhì)??

來正確描述，所以研宄微納米液體邊界的滑移特性對于設(shè)計以及優(yōu)化ＭＥＭＳ?／??ＮＥＭＳ器件有重要的意義，并且受到國內(nèi)外專家學者的普遍關(guān)注。??圖１．２展示了不同特征尺度下的模擬方法，可以發(fā)現(xiàn)分子動力學模擬方法是??研宄微納米流動特性的有效方法（Ｂｒｏｏｋｓ，?１９８９，?Ｌａｕｇａｅｔａｌ．，２００６，Ｎｅｔｏｅｔａｌ．，?２００５），??但是一些ＭＥＭＳ?／?ＮＥＭＳ器件往往同時存在微米和納米等多種尺度，當系統(tǒng)的??特征長度尺度大于ｌＯＯｎｍ，特征時間尺度大于１００ｎｓ時，考慮到計算時間以及??計算成本，分子動力學方法甚至是并行的分子動力學方法都不是一個很好的選??Ｓ?（Ｙｅｎ?ｅｔ?ａｌ．，?２００７，?Ｍｏｈａｍｅｄ?ｅｔ?ａｌ．，?２０１０，?Ｔｒｏｕｅｔｔｅ?ｅｔ?ａｌ．，?２０１６）〇?Ｓｃｈｏｃｈ?ｅｔ?ａｌ．?（２００８）??發(fā)現(xiàn)連續(xù)性假設(shè)在ｌＯＯｎｍ至１００／／ｍ之間仍能夠滿足，但是如果小于這個尺度，??連續(xù)性假設(shè)則失效。另外，一些微觀才會出現(xiàn)的特性，比如邊界滑移，往往只會??發(fā)生在靠近壁面的小部分區(qū)域

．２邊界滑移特性的研究現(xiàn)狀??固液之間的邊界條件的研宄可以追溯到二百多年前，Ｂｅｒｎｏｕｌｌｉ?（１７３８）提出??流體流動的無滑移邊界條件受到許多學者的反對（Ｎａｖｉｅｒ，?１８２３，?Ｍａｒｉｅ，丨８８６，??ｒｏｎｙｅｔａｌ．，１８０４），其中，Ｎａｖｉｅｒ?（１８２３）提出了管道內(nèi)Ｐｏｉｓｅｕｉｌｌｅ液體流動的線性??移的邊界條件假設(shè)（如圖１．３）。進入２０世紀之后，隨著分子動力學方法的成??應(yīng)用（Ａｌｄｅｒ?ｅｔａｌ．，?１９５７）以及ＭＥＭＳ／ＮＥＭＳ器件的迅速發(fā)展，采用分子動力??模擬方法來研宄滑移特性的報道越來越多（Ｇａｄ－ｅｌ?ｈａｌｅ，?１９９９）。??Ｔｈｏｍｐｓｏｎ?ｅｔ?ａｌ＿?（１９８９）應(yīng)用Ｃｏｕｅｔｔｅ模型研究了兩種不相容流體的流動，他??發(fā)現(xiàn)在接觸線附近無滑移邊界不成立。Ｈｅｉｎｂｕｃｈ?ｅｔ?ａｌ．?（１９８９）模擬了單相以及??相流體的Ｃｏｕｅｔｔｅ流動和Ｐｏｉｓｅｕｉｌｌｅ流動，他們發(fā)現(xiàn)固液的邊界條件與固體表??粒子的粗糙度有關(guān)。Ｔｈｏｍｐｓｏｎ?ｅｔａｌ．?（１９９０）模擬了單相流體的Ｃｏｕｅｔｔｅ流動，他??發(fā)現(xiàn)邊界條件與固液相互作用參數(shù)有關(guān)。Ｓｕｎ?ｅｔ?ａｌ．?（１９９２）模擬了?Ｌ－Ｊ流體的??ｏｉｓｅｕｉｌｌｅ流動，他們發(fā)現(xiàn)固液相互作用力強時，壁面無滑移，而當固液相互作??力弱時，壁面出現(xiàn)滑移。Ｔｈｏｍｐｓｏｎ?ｅｔａｌ．?（１９９７）使用Ｃｏｕｅｔｔｅ流動展不了滑移??、，
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本文編號：2869931