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文章阐述了纳尺度流体特性的研究进展,介绍了分子动力学模拟的基本原理,讨论了分子动力学模拟的详细步骤,并对并行计算方法进行了介绍。在此基础上,采用分子动力学模拟的方法,对纳尺度流体进行了模拟,深入研究了纳米轴承的流体动压润滑现象和纳尺度流体的流变特性。
建立了纳米轴承的物理模型,得到了纳米轴承动压润滑的动压力分布曲线,动压力曲线分布的趋势与宏观状态下动压力曲线分布的趋势相同。轴承中的动压力随着运动速度的增加而增大;相应的轴承承载力随着动压力的增大而增加。这与雷诺方程关于动压润滑的理论是一致的。此外,随着剪切速度增大,出现了有效粘度随之减小的“剪切变稀”现象,然而这一现象并没有影响到纳米轴承的动压润滑。这些模拟结果均表明水基的润滑系统在纳米轴承中表现出了良好而有效的润滑特性。
采用MPI并行编程计算的分子动力学模拟方法,建立了更加符合工程实际应用的“Bulk-Nanochannel-Bulk”纳米通道模型,对纳尺度流体的流变特性进行了研究。模拟结果表明:在极小的纳米通道中,由于尺度效应,纳米流体薄膜的密度出现了小于体态密度的情况;纳米通道中的表面电荷会对流体的粘度产生影响,当表面电荷密度增大时,流体的粘度随之增大;当纳米通道的高度越来越小时,流体的粘度越来越大,这是由于水分子被限制在狭窄的纳米通道中时,分子间的运动更加激烈,引起了流体粘度的升高;另外纳米流体薄膜表现出了对剪切率很大的依赖性;值得注意的是即使在纳米通道高度为0.8nm时,通道中的水仍然表现出了层流现象。