基于壁面润湿性能的微纳米尺度通道输运性能调控机制研究

来源 :大连理工大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:lzydcx
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近年来随着科技的迅速发展,电子设备、生物传感器等新型器件的微型化逐渐成为自然科学和工程技术发展的重要趋势,微纳机电系统、微纳流控芯片等的相继出现,在提升产品性能的同时也对相关理论的研究提出了新的要求。在微纳米尺度下,流体的传输性质和行为与宏观尺度呈现显著不同,壁面滑移现象作为流体传输的基本性质之一,可以在一定程度上反映相对宏观尺度流动速度的变化,其调控机制的深入研究对微纳尺度流控器件的设计和开发具有重要的指导意义和应用价值。本文基于理论分析和数值模拟方法,考察了流体在纳米通道中输运时壁面滑移现象的影响因素,揭示了其内部的调控机理,并给出了基于流体接触角确定可反映输运效率的滑移长度的控制关系式。在理论工作方面,基于针对流体流动的分子动理论(Molecular Kinematics Theory,MKT),通过固液相之间在通道壁面处的摩擦系数,建立了滑移速度与流体在固体壁面上的活化能之间的关系,进而采用摩擦系数和流体粘性表征滑移长度;基于针对液滴滑动的分子动理论和移动润湿线理论,揭示了润湿线速度与液滴前后接触角余弦差值的比值在确定的系统中为定值,其可以表示为壁面润湿性能的函数,从而构建滑移长度和液滴接触角之间的控制关系式。理论模型表明:微纳尺度通道中流体发生Navier滑移时的影响因素主要包括壁面润湿性能、壁面层原子的空间排布方式、流体的表面张力、通道界面层处流体分子的剪切粘性和在流动方向上的有效面积,上述因素的协同作用确定了微纳米尺度通道内滑移长度的变化规律。在数值模拟方面,基于分子动力学模拟研究了Lennard-Jones流体在光滑壁面上的静动态润湿现象及在纳米通道中的壁面滑移现象,计算了理论模型中涉及到的所有关键参数,揭示了各种影响因素对壁面滑移行为的影响规律。模拟结果表明:壁面润湿性能的增强通常会削弱滑移长度,但是当壁面层原子排布方式发生变化时,强润湿性条件下也会存在较大的滑移长度;流体性质变化时,粘性较大的流体在微纳通道中流动时往往拥有较高的滑移长度;流体边界层处的剪切粘性与其体态粘性的比值和静态接触角之间呈现了线性关系,且此线性关系对于特定的流体是确定的。基于数值模拟的结果,验证了所构建理论模型的合理性与正确性,并进一步提出了滑移长度的简化计算模型。综上所述,本论文研究工作基于分子动理论建立了由传输通道润湿性能、原子分布方式等因素表征的滑移长度理论模型,并通过Lennard-Jones流体的分子动力学模拟验证了理论模型的正确性。研究结果加深了对微纳米尺度流动方面的认识和理解,同时为基于通道属性实施输运效率调控提供了重要的科学依据和理论参考。
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