粗糙固體表面對流動與傳熱影響機理的分子動力學(xué)模擬研究.pdf

1、納尺度流動與傳熱在微機電系統(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，該研究對于探索微觀運動傳遞規(guī)律具有重要的科學(xué)意義。當(dāng)宏觀尺度轉(zhuǎn)為納尺度，流動通道尺度急劇減少，比表面積也隨之急劇增加，表面粗糙對流動與傳熱作用也相應(yīng)凸顯。表面粗糙度對流動與傳熱的影響機理研究已經(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問題。
　　在納尺度系統(tǒng)中，物質(zhì)輸運和能量傳遞均發(fā)生在一個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)流體流動與傳熱耦合過程以及傾斜粗糙表面上顆粒流動等三個理論模型，采用分子動力學(xué)方法進行了數(shù)值模擬，研究了固體粗糙表面對納尺度流動傳熱、速度滑移以及溫度階躍的影響規(guī)律。概括起來，本論文的主要研究內(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。粗糙高度的增加擴大了液固相互作用面積，延長了近壁面附近的液體分子與固體之間的能量交換時間，強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)流體流動與傳熱耦合過程的分子動力學(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。