納微尺度下傳遞現(xiàn)象的計(jì)算機(jī)模擬研究.pdf

1、微型化工過(guò)程是屬于化學(xué)和化工交叉的領(lǐng)域，應(yīng)用前景廣泛，例如它能夠精確地控制受限在納微結(jié)構(gòu)通道中的物理和化學(xué)過(guò)程。納微結(jié)構(gòu)中流體和界面的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)是開(kāi)發(fā)微型化工設(shè)備的基礎(chǔ)，目前實(shí)驗(yàn)手段對(duì)該尺度下的液-液界面性質(zhì)的表征尚不完善，因此用分子模擬的方法來(lái)研究界面性質(zhì)和界面?zhèn)鬟f過(guò)程意義重大。
　　 本論文采用分子動(dòng)力學(xué)方法和格子Boltzmann方法對(duì)納微尺度下的傳遞現(xiàn)象進(jìn)行計(jì)算機(jī)模擬研究，主要對(duì)納微尺度下的邊界條件、熱量傳遞和質(zhì)量傳遞過(guò)

2、程進(jìn)行了系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)模擬研究。主要內(nèi)容如下:
　　 1.納米尺度下液-液界面的邊界條件、熱量傳遞和質(zhì)量傳遞過(guò)程的分子動(dòng)力學(xué)模擬研究:
　　 (1)研究了納米尺度下兩互不相溶流體液-液界面的邊界條件，包括對(duì)界面處存在表面活性劑的情況進(jìn)行了考察。隨著界面處表面活性劑濃度的不同觀察到三種不同的邊界條件:滑移邊界條件、無(wú)滑移邊界條件和粘滯邊界條件?；?、無(wú)滑移和粘滯這三種邊界條件對(duì)應(yīng)的滑移長(zhǎng)度分別為正值、零和負(fù)值。此外還研究了表

3、面活性劑對(duì)液-液界面邊界條件的影響。
　　 (2)研究了納米尺度下兩互不相溶液體的液-液界面的傳熱過(guò)程，并考察了界面處存在表面活性劑以及界面流動(dòng)的影響。體系中熱通量的變化，因其不會(huì)改變界面的結(jié)構(gòu)，而不影響界面的熱阻。當(dāng)界面處存在表面活性劑時(shí)，表面活性劑分子會(huì)改變界面的結(jié)構(gòu)，從而影響界面處的傳熱過(guò)程。隨著界面處表面活性劑濃度的增加界面處的熱阻先快速地減小，然后基本保持不變。體系在外力作用下流動(dòng)時(shí)，互不相溶兩液體的液-液界面處存在邊

4、界滑移，界面處的熱阻會(huì)明顯變大，隨著流速的增加界面處熱阻會(huì)先增大后減小。
　　 (3)研究了納米尺度下溶質(zhì)穿過(guò)兩互不相溶液-液界面的質(zhì)量傳遞過(guò)程，并考察了界面處存在表面活性劑時(shí)對(duì)傳質(zhì)過(guò)程的影響。溶液中溶質(zhì)濃度隨時(shí)間演化過(guò)程和界面處溶質(zhì)分子的平均力勢(shì)(Potential of Mean Force)都表明液-液界面處存在傳質(zhì)阻力。溶質(zhì)在溶劑中溶解度不同時(shí)，質(zhì)量傳遞過(guò)程的傳質(zhì)速度會(huì)受到影響。而界面處存在表面活性劑時(shí)，溶質(zhì)傳質(zhì)速率會(huì)隨

5、著表面活性劑濃度的增加而先變大后變小，這與宏觀萃取實(shí)驗(yàn)的結(jié)果，即溶質(zhì)傳質(zhì)速率會(huì)隨著表面活性劑濃度的增加而先變小后略有增加，明顯不同。這是因?yàn)楹暧^液-液萃取實(shí)驗(yàn)中，界面處的表面活性劑會(huì)降低界面張力梯度和湍流運(yùn)動(dòng)從而減小傳質(zhì)速率。
　　 2.采用分子動(dòng)力學(xué)方法研究了在外壓力作用下水分子通過(guò)碳納米管的過(guò)程。管口處各組分的密度分布表明水與固體墻之間存在一個(gè)排空層，說(shuō)明管口處存在一定的阻力，阻礙水進(jìn)入碳納米管內(nèi)。隨著外壓力的增加，水分子會(huì)

6、經(jīng)歷四個(gè)狀態(tài):不進(jìn)入碳管、半填充碳管、充滿碳管和流過(guò)碳管。通過(guò)比較單管體系和雙管并列體系的結(jié)果發(fā)現(xiàn)雙管并列的體系水分子更容易形成流動(dòng)狀態(tài)，并且對(duì)原子間LJ勢(shì)能不同的體系的研究表明截?cái)喟霃介L(zhǎng)的體系更容易克服出口處的氫鍵作用而流出管口。這些結(jié)果表明不同管內(nèi)水分子的狀態(tài)是相互影響或者說(shuō)它們的流動(dòng)是協(xié)同的。同時(shí)本論文還對(duì)水分子在管內(nèi)的轉(zhuǎn)動(dòng)行為進(jìn)行了研究。
　　 3.使用格子Boltzmann方法研究了微流體網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)中濃度梯度的生成過(guò)程。