粗糙固體表面對(duì)流動(dòng)與傳熱影響機(jī)理的分子動(dòng)力學(xué)模擬研究.pdf

1、納尺度流動(dòng)與傳熱在微機(jī)電系統(tǒng)、航天技術(shù)及生物醫(yī)學(xué)等方面都有著廣泛的應(yīng)用，該研究對(duì)于探索微觀運(yùn)動(dòng)傳遞規(guī)律具有重要的科學(xué)意義。當(dāng)宏觀尺度轉(zhuǎn)為納尺度，流動(dòng)通道尺度急劇減少，比表面積也隨之急劇增加，表面粗糙對(duì)流動(dòng)與傳熱作用也相應(yīng)凸顯。表面粗糙度對(duì)流動(dòng)與傳熱的影響機(jī)理研究已經(jīng)成為當(dāng)前微尺度傳熱傳質(zhì)研究中的重要前沿?zé)狳c(diǎn)問(wèn)題。
　　在納尺度系統(tǒng)中，物質(zhì)輸運(yùn)和能量傳遞均發(fā)生在一個(gè)受限的納尺度空間中，導(dǎo)致出現(xiàn)了表面粗糙度效應(yīng)、壁面速度滑移與溫度階躍

2、效應(yīng)以及黏性耗散效應(yīng)等。為深入揭示這些納尺度效應(yīng)及其發(fā)生機(jī)理，本文建立了粗糙納通道內(nèi)液體熱傳導(dǎo)、粗糙納通道內(nèi)流體流動(dòng)與傳熱耦合過(guò)程以及傾斜粗糙表面上顆粒流動(dòng)等三個(gè)理論模型，采用分子動(dòng)力學(xué)方法進(jìn)行了數(shù)值模擬，研究了固體粗糙表面對(duì)納尺度流動(dòng)傳熱、速度滑移以及溫度階躍的影響規(guī)律。概括起來(lái)，本論文的主要研究?jī)?nèi)容和取得的主要結(jié)論如下:
　　(1)粗糙固體表面溫度階躍的分子動(dòng)力學(xué)模擬研究表明:在固體壁面附近，液體溫度偏離了線性分布，液固界面處

3、出現(xiàn)了溫度階躍。與光滑表面相比，粗糙度的存在降低了液固界面處的溫度階躍程度。粗糙高度的增加擴(kuò)大了液固相互作用面積，延長(zhǎng)了近壁面附近的液體分子與固體之間的能量交換時(shí)間，強(qiáng)化了液固界面的能量傳遞，從而使得界面處溫度階躍降低。另外，提高液固相互作用強(qiáng)度或者降低固壁剛度均可使液固界面處溫度階躍程度減小。
　　(2)粗糙納通道內(nèi)流體流動(dòng)與傳熱耦合過(guò)程的分子動(dòng)力學(xué)模擬研究表明:在外力作用下，納通道主流區(qū)域的速度分布呈拋物線分布，流體流動(dòng)的黏性

4、耗散使得納通道內(nèi)流體的溫度分布呈現(xiàn)中心區(qū)域高而固壁附近溫度低，并且在壁面附近出現(xiàn)溫度階躍和速度滑移現(xiàn)象。在近壁面區(qū)域內(nèi)，流體密度分布出現(xiàn)了有序振蕩現(xiàn)象，表明流體產(chǎn)生了分層分布。表面粗糙度的存在使得流體剪切流動(dòng)產(chǎn)生了額外的黏性耗散，使得粗糙納通道內(nèi)的流體速度水平小于光滑通道，溫度水平高于光滑通道，并且粗糙表面的速度滑移與溫度階躍均小于光滑通道。另外，固液相互作用強(qiáng)度的增大和壁面剛度的減小均可導(dǎo)致界面處速度滑移和溫度階躍程度降低。