微纳米通道内流体流动及核化传热的分子动力学研究

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近年来科学技术的发展使得微纳米科学技术在微机电系统、生物制药、工业工程等各研究领域中有着越来越广泛地应用。但微纳米科学技术由于特征尺度在纳米和微米级别,实验研究以及数值模拟都存在一定的困难性,所以目前有关微纳米尺度的研究还处于发展阶段。本文应用分子动力学模拟软件LAMMPS,对微纳米通道内流体流动特性及流体核化传热方面进行研究。本文首先研究了微纳米通道内纳米颗粒对流体Couette流动特性的影响,对加入纳米颗粒后流体的速度、密度以及界面滑移进行分析。研究发现:随着纳米颗粒体积分数增加,近壁面区流体数密度呈衰减振荡分布,近壁面区到主流区振幅逐渐减小,流体剪切应变率随纳米颗粒体积分数的增加逐渐减小,滑移速度和滑移长度逐渐增加;加入相同体积分数不同数目纳米颗粒时,通道内流体流动没有相应的变化规律,但当纳米颗粒数为3时,流体剪切应变率最大,滑移速度和滑移长度最小;改变固体壁面剪切速度,流体滑移速度和滑移长度随壁面剪切速度的增加逐渐增大,但滑移长度增加幅度相对较小。其次,研究了微纳米通道壁面润湿性对流体核化及成核机理的影响。结果表明:壁面润湿性强时,壁面与流体间粒子相互作用力大,流体在近壁面处会形成“类固体”层,热量通过“类固体”层传递给通道内流体,传热效果最佳,流体受热在近壁面处发生均质核化;壁面润湿性相对较弱时,流体与壁面粒子间相互作用力相对较小,近壁面处没有形成“类固体”层,热量由固体壁面直接传递给通道内流体,传热效果一般,液体会在壁面处发生异质核化,气泡核化生长速度较慢;壁面润湿性最弱时,固体壁面和流体粒子间有排斥力较大,在近壁面处会形成一层气膜层,热量通过气膜层传递给流体,传热效果不佳,通道内流体很难发生核化现象。此外,通道内流体初始密度对气泡核化生长存在一定影响,流体初始密度越大越有利于热量传递,但液体初始密度越大通道内液体核化生成气泡面积越小。
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