2018傳熱傳質(zhì)學(xué)年會集

中國工程熱物理學(xué) 學(xué)科類別：傳熱傳質(zhì)學(xué)術(shù)會 編號石林1，1，1，（1.大連理工大學(xué)能源與動力學(xué)院，海洋能源利用與節(jié)能教育部大連( ：流動阻力是實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排目的有效途徑之1996年，Watanab[1]等人便測試了疏水管道與普通亞克力管道的面能對壁面附近流動特性的影響以及界面成為可能，分子動力學(xué)(MolecularDynamic)MD方法從微觀角度揭示超疏水壁面降低流動阻力的國內(nèi)外實(shí)驗(yàn)研究流體流經(jīng)疏水面存在不同程度的速度滑移[6-9]

用力對于滑移的影響做了深入研究。Thompson[10-11]通過分子動力學(xué)方法發(fā)現(xiàn)納米通道內(nèi)的Couette流動無滑移邊界條件在層從而會導(dǎo)致滑移[13]等人發(fā)現(xiàn)改變研究Lennard-Jones流體行為時通過改變壁較大的速度滑移往往伴隨較大的主流區(qū)速本文模擬的壁面流動體系如圖1

??2所示。徑rc=3.5??l。1.1LJ原子類 流場尺寸為????????????=31??11??×面底層構(gòu)建了厚度為1??的固定層。在模擬過通過設(shè)置上壁面在x方向運(yùn)動速度U從而帶動氬原子發(fā)生流動。x和y方向氬原子之間的相互作用采用Lennard-

2. 對于體系密度的設(shè)置，流體密度為??????3=0.81，固壁密度????=4.3??1,??????(??)=4????[(??

?

4928模擬過壁面運(yùn)動速度為??=0.167??/??,EAM-銅原子之間仍采用LJ勢能模型，如式2所示：

其中??=??(?????)0.5,此時流動系統(tǒng)的速度剪切率滿足??≤2???1，則流動邊界滑移規(guī)律符合Navier[11]。流體和壁面溫度利用速????????(??)=4????????[(??

?

???0.0005??20如(2)所示，通過改變作用系數(shù)??，可

其在微正則系綜(nve)50萬步，zx-y平面平共計(jì)60層。2所示，并與Navier-Stokes(NS)方程模擬的布，與NS方程理論預(yù)測相符合，說明在壁面附近納米尺度內(nèi)流場特征仍符合NS因此下文主流區(qū)均為1??<z<9??區(qū)域。圖2.不同作用系數(shù)條件場速度分

當(dāng)??=0.08時，親水程度較小，近壁區(qū)表現(xiàn)相比較于NS方程理論解差距已不當(dāng)??=0.12時，親水程度較大，本文1σ0，此時流體主流區(qū)速度梯度接近NS方程理論解，甚至有超過NS方程理論解梯度的趨勢，這就lsNavier[18]邊界模型，速度滑移長度ls定義為：

=

3.2可以看出，??=0.01時，主流??=0.05??=0.01

????>0邊界條件為滑移條件；????=0時為無滑移邊界條件；????<0時度曲線延長至u=0????即為滑移長度。如圖3所示，在作用系數(shù)逐漸增大的過滑移長度逐漸下降。當(dāng)??=0.01時壁面處疏水狀態(tài)，此時滑移長度能夠18σ（6.13nm弱之后，滑移長度下降至0甚至在??>0.11時出現(xiàn)負(fù)滑移，當(dāng)??0.12時，滑移長

32.2剪切應(yīng)力44所示，首先在統(tǒng)計(jì)壁面與流體??=0.01時相比于??=0.06時剪切應(yīng)力減57%，相比于??=0.0864%，考慮

30~1.5σ處流體內(nèi)部的平均應(yīng)力逐漸增大，??=0.01時剪切應(yīng)力相比于??=0.0872%，這也證實(shí)了壁面 ??=0.01??=0.12圖5不同作用系數(shù)條件場密度云 原子之間勢能的作用范圍僅有幾個原子直徑長度該作用力將直接影響壁面附如圖5所示，通過密度分布云圖觀察到在??=0.01和??=0.12兩種條件下，流場??=0.01主流區(qū)密度雖然出現(xiàn)了分層現(xiàn)象但總體比較均勻，而??0.12時密度分層更

還出現(xiàn)了密度極大的“類固體”層，而后出現(xiàn)密度極小的低密度層，下文將會詳細(xì)分析。6均出現(xiàn)了由于表面效應(yīng)而引起的密度有序7](a)??= （b）??=(c)??= （d）??=圖6.不同作用系數(shù)條件場密度分布示5面。從圖中可以看出，??0.01時，近壁區(qū)密度過渡較為均勻，低密度層厚度為受到的阻力較??；相反的在??=0.12時，從圖中可以看出近壁面處首先出現(xiàn)了0~0.4σ0.5σ~0.7σ

這種結(jié)構(gòu)的出現(xiàn)導(dǎo)致流體在流動過在·6有著顯著的影響。如圖6(a)所示，??=0.01時，密度分為3-4層，密度振蕩范圍為此高度之后的中心區(qū)域密度基本穩(wěn)定在6(b)中的密度分為4-5，0.4~1.15??????35??，這是由于當(dāng)壁面與流體之間作用力增強(qiáng)后，??=0.08和??=0.12其中??=0.12時范圍能夠達(dá)到0.2~1.6??????3，比??=0.01時增加了1~2倍，同時表面效應(yīng)6??值得注意的是，??0.01時壁面附近密

7漸增多，密度逐漸增大。如圖8(a)所示，當(dāng) (a)??= （b）??=(c)??= （d）??=7.(a)??= (b)??=8.如圖9所示，通過近壁區(qū)流速放大圖可以觀察到在近壁處1σ范圍內(nèi)，流體內(nèi)部數(shù)的增大，速度梯度逐漸減小，最終在??0.1208中可知作用系數(shù)較

9.本文采用分子動力學(xué)方法定量研究了無論固-液作用力大小，壁面附近流體均存在著不同程度的密度規(guī)律振蕩，也就是密度分層現(xiàn)象，固-液作用力的增大會使得密度振蕩幅度的增大。在本文條件下，親水壁面相比疏水壁面振幅增大1~250。壁面附近流體流動時由于固-液作產(chǎn)生流體低密度層，超疏水壁面尤為顯著；

疏水壁面與親水壁面附近普遍存8存的增大而減小最終會。固-液作用力的不同會引起壁面與流體之間剪切應(yīng)力的變化，在本文條件下，6%面內(nèi)部的剪切應(yīng)力相比于普通親水壁面降低72。提出壁面潤濕性通過改變流體能附近流體流動過由于上述兩部分能量WatanabeK,YANUAR,OkidoK,etal.DragReductioninFlowthroughSquareandRectangularDuctswithHighlyWater-RepellentWalls[J].NihonKikaiGakkaiRonbunshuBHen/transactionsoftheJapanSocietyofMechanicalEngineersPartB,1996,DongH,ChengM,ZhangY,etal.Extraordinarydrag-reducingeffectofasuperhydrophobiccoatingonamacroscopicmodelshipathighspeed[J].JournalofMaterialsChemistryA,2013,ParkKC,ChoiHJ,ChangCH,etal.NanotexturedSilicaSurfaceswithRobustSuperhydrophobicityandOmnidirectionalBroadbandSupertransmissivity[J].AcsNano,2012,6(5):3789-BixlerGD,BhushanB.Bioinspiredriceleafandbutterflywingsurfacestructurescombiningsharkskinandlotuseffects[J].SoftMatter,2012,BixlerGD,BhushanB.Sharkskininspiredlow-dragmicrostructuredsurfacesinclosedchannelflow[J].JournalofColloid&InterfaceScience,2013,393(1):384.HakMGE.FlowphysicsinMEMS[J].Mécanique&Industries,2001,2(2):313-341.GuanN,LiuZ,JiangG,etal.Experimentalandtheoreticalinvestigationsontheflowreductionandslipflowinsuper-hydrophobicmicrotubes[J].ExperimentalThermal&FluidScience,2015,69(3):45-57.Zhijia,Xinghua,Guozhuetal.Waterslipflowinsuperhydrophobicmicrotubeswithinlaminarflowregion[J].學(xué)工程學(xué)報(bào)(英文版),2015,23(5):763-,,,等.表面潤濕性對微通道界面減阻特性的影響[J].表面技術(shù),2017,46(6):42-Xiao-LeiLI,Xiao-WenMA,ChangYL,etal.EffectsofSurfaceWettabilityonInterfacialDragReductioninMicro-channel[J].SurfaceTechnology,2017.ThompsonPA,RobbinsMO.Simulationsofcontact-linemotion:Slipandthedynamiccontactangle.[J].PhysicalReviewLetters,1989,ThompsonPA,TroianSM.Ageneralboundaryconditionforliquidflowatsolidsurfaces[J].Nature,1997,63(6649):360-362.NagayamaG,ChengP.Effectsofinterfacewettabilityonmicroscaleflowbymoleculardynamicssimulation[J].InternationalJournalofHeat&MassTransfer,2004,47(3):501-513.,,過增元.納米通道內(nèi)液體流的滑移現(xiàn)象[J].物理學(xué)報(bào),2006,CaoB.Velocityslipofliquidflowinnanochannels[J].ActaPhysicaSinica,2006,

VoronovRS,PapavassiliouDV,LeeLL.Sliplengthandcontactangleoverhydrophobicsurfaces[J].ChemicalPhysicsLetters,2007,PahlavanAA,FreundJB.Effectofsolidpropertiesonslipatafluid-solidinterface[J].PhysicalReviewEStatisticalNonlinear&SoftMatterPhysics,2011,83(1):021602.ZhangC,ChenY.Slipbehaviorofliquidflowinroughnanochannels[J].ChemicalEngineering&ProcessingProcessIntensification,2014,85:2