大會2015集ms4216納米通道流體流動耗散粒子動力學(xué)模擬

*（中國科學(xué)院過程工程研究所,中國科學(xué)院綠色過程與工程重點實驗室，北京+（中國科學(xué)院大學(xué)，北京 滑移修正的子動力學(xué)（moleculardynamics,）為主的離散模擬方法成為人們研究納Thma等人6采用對水在碳納米管中的流動進行模擬觀察到遠高于理論值認為因碳納米管天然的疏水性而產(chǎn)Alxiadi等人7對水分子在碳納米管中的結(jié)構(gòu)進行了深入探討擬發(fā)現(xiàn)了納米管中流體性質(zhì)鏈動然能夠較為準(zhǔn)確地計結(jié)計難以應(yīng)用于樣本數(shù)較大的體質(zhì)的統(tǒng)計。耗散粒子動力學(xué)（dissipativeparticle設(shè)通道中心處z=0,壁面處

=-

-v(z) (z-D

Q=

d

dz)=-

??= ,vx(Z)={{Z=D =

DzZ進而可知通量計算公式為

vx(??)=0

[ [??

??∫??(??)

'

在后文中我們將用耗散粒子動力學(xué)模擬對此公式進行驗證 f=∑FC+FD+FR i≠ 三種力的作用形式分別為FC= FR=σωR(r)ζij?t-

其中，rij=ri-rj,rij=|rij|eij=rij/rij,vij=vi-vj。參數(shù)aij為斥力系數(shù)，表示兩珠子間斥力的最大值。σ和γ分別為噪聲因子與摩擦系數(shù)，二者之間應(yīng)滿足一定關(guān)系：σ2=2γkBT，ωD=(ωR)2 σ=3.0γ=15?? 4.5；代表權(quán)函數(shù)，其一般形式為{0 r>ωC=ωD=（ωR）2=1- {0 r> 體系中所涉層壁面珠子（厚度為1）呈面心擬過程中在其位置上震動以維過增大最外層流體之間的排斥力實現(xiàn)間的排斥力是通過調(diào)節(jié)保守力參數(shù)a來調(diào)a的大小在宏觀現(xiàn)為壁面的疏水性質(zhì)圖2為流體在壁面上的接觸角隨a變化關(guān)系的模擬結(jié)a取值強為將疏水性控制在合理的范圍對流動們在模擬過程中將參數(shù)a的取值設(shè)為：20/22/25/28/30/32/35/3840層壁面珠子作用參數(shù)統(tǒng)一取為50。contactcontact0 a本研究中的密度均為流體珠子數(shù)密度。在首先進行的納米通道平衡密度的模擬中ρ 在納應(yīng)造成的不可忽略的密度不均勻性是產(chǎn)生其它變化的根們選取了3a35體系中的密度分布（圖4）進行說明：在壁面/層狀結(jié)構(gòu)7使流體密度呈現(xiàn)震蕩間距蕩幅度逐漸減弱并趨近于宏觀們將流體區(qū)域劃分為靠近壁面的非均勻區(qū)與遠圖4中標(biāo)明；無論流體處于無外inhomogeneousinhomogeneousbulk 4ρ0- - z圖4.兩平板組成的納米通道內(nèi)密度分布4ρ0 為了探究通道空間尺寸與壁面疏水性質(zhì)是否對們分別改變上述兩個變結(jié)圖5為疏水性相同（a35）但空間尺寸不同的通道中近壁面處為了結(jié)觀們設(shè)壁面處為位置坐標(biāo)圖僅1時曲線這可以解釋為：在極為導(dǎo)致流體呈現(xiàn)這一結(jié)果對我們來說具有重要意義雖然我們無法對所有尺寸的通道一一進行模擬可以對各尺寸通道中的密度分布情況進行推測質(zhì)處蕩規(guī)律與范圍則不難寬總流體區(qū)域的比率逐漸對流動的影響也相應(yīng)動規(guī)律也逐漸趨于宏觀流動動區(qū)域內(nèi)的流體將聚集在緊密排列的鏈狀結(jié)這一結(jié)構(gòu)將使流動更有效率16圖6為相同543ρ210- - - -圖6.壁面疏水性對近壁處密度分布的影響xμ=-τzxdv(z)x z- z-

Ai<τzx(z)=V∑mvi,z[vi,x-ux(z)]δ(zi-z)-2 Ai<

)Θ( 54423ρ 210

bulk- - - - 圖8.不同大小通道內(nèi)流速分布：(aD=6,a=35；(b) 。vx vx

“”=1D=6中，9-通量的變化規(guī):D=L - particleparticlecountervelocityintegration0 圖10兩種通量統(tǒng)計方法比較ε 圖12中展示了不同通道ε隨平板間距的變顯看出??受平板間性質(zhì)間距較小時ε值較間ε值逐漸減小并最終趨于1對于同樣強ε值這一變化趨勢與Guo等人17針對水與碳納米管體系的分子模結(jié)這種現(xiàn)象可以得到很好的解釋壁面疏水性增大而增大的規(guī)律與流率變強受限空間中流體的集中有序排布進一步促進流動圍內(nèi)出現(xiàn)ε隨減小而急劇增大的現(xiàn)Q g圖11通量隨驅(qū)動力變化876ε4321 .們通過式（7）計算了a25a35兩種計算值與模擬結(jié)果基本一致（圖13們認為納米通道內(nèi)流體的不均勻分布是造成流動主體流動慮間變化的計算式不再適用于納下的流動變化重新引入運動方程后推導(dǎo)得到的通量計算公式則與0 圖13通量模擬結(jié)果與計算結(jié)果的比FornasieroF,ParkH,HoltJ,StadermannM,GrigoropoulosC,NoyA,BakajinO.Ionexclusionbysub-2-nmcarbonnanotubepores.ProceedingsoftheNationalAcademyofSciencesoftheUnitedStatesofAmerica,2008,105:17250-17255HoltJ,ParkH,WangY,StadermannM,ArtyukhinA,GrigoropoulosC,NoyA,BakajinO.FastMassTransportThroughSub–2-NanometerCarbonNanotubes.Science,2006,343:752-754MajumderM,ChopraN,AndrewsR,HindsB.Nanoscalehydrodynamics:Enhancedflowincarbonnanotubes.Nature,2005,438:44VerweijH,SchilloM,LiJ.FastMassTransportThroughCarbonNanotubeMembranes.Small,2007,3:SparreboomW,BergA,EijkelJ.Transportinnanofluidicsystems:areviewoftheoryandapplications.NewJournalofPhysics,2010,12:1-23ThomasJ,McGaugheyA.Reassessingfastwatertransportthroughcarbonnanotubes.Nanoletters,2008,AlexiadisA,KassinosS.MolecularSimulationofWaterinCarbonNanotubes.ChemicalReviews.2008,108:KasiteropoulouD,KarakasidisT,LiakopoulosA.DissipativeParticleDynamicsinvestigationofparametersaffectingplanarnanochannelflow.MaterialsScienceandEngineeringB,2011,176:1574–1579FengR,XenosM,GirdharG,KangW,DavenportJ,DengY,BluesteinD.Viscousflowsimulationinastenosismodelusingdiscreteparticledynamics:acomparisonbetweenDPDandCFD.BiomechModelMechanobiol,2012,11:119-129YanK,ChenY-Z,LiuG-R,HanJ,WangJ-S,HadjiconstantinouN.Dissipativeparticledynamicssimulationoffield-dependentDNAmobilityinnanoslits.MicrofluidNanofluid,2012,12:157–163RitosK,MattiaD,CalabroF,ReeseJM.FlowenhancementinnanotubesofdifferentmaterialsandJournalofChemicalPhysics,12HoogerbruggeP,KoelmanJ.Simulationmicroscopichydrodynamicphenomenawithdissipativeparticledynamics.EurophysicsLetters,1992,19:155-16013EspanolP,WarrenP.statisticalmechanicsofdissipativeparticledynamics.EurophysicsLetters,1995,30:14GrootRD,WarrenPB.Dissipativeparticledynamics:Bridgingthegapbetweenatomisticandmesoscopicsimulation.JournalofChemicalPhysics,1997,107:4423-443515CannonJ,HessO.Fundamentaldynamicsofflowthroughcarbonnanotubemembranes.MicrofluidNanofluid,2010,8:21-3116IrvingJH，KirkwoodJG.Thestatisticalmechanicaltheoryoftransportprocesses.IV.Theequationofhydrodynamics.JournalofChemicalPhysics,1950,18:81717SuJ,GuoH.Effectofnanochanneldimensiononthetransportofwatermolecules.JournalofPhysicalChemistry.B,2012,116:5925-5932DissipativeParticleDynamicsSimulationofFlowwithinWangYuying1,2XuJunbo1Yang(1KeyLaboratoryofGreenProcessandEngineering,InstituteofProcessEngineering,ChineseAcademyofSciences,Beijing100190,(2UniversityofChineseAcademyofSciences,Beijing100049,AbstractThebasiclawofflowwithinnanochannelsisinvestigatedbythedissipativeparticledynamicssimulationandtheoreticalanalysis.Theinfluencesofwall/fluidinteractionsandthedimensionsofthechannelsarediscussedrespectivelybyexaminingthedensityprofiles,velocityprofilesandfluxes.Theresultsshowdensityandviscosityinhomogeneitiesnearthewall/fluidinterfaces,whicharedeterminedbythewall/fluidinteractionswhilethedimensionsortheflowrateshavenoeffect.Theflowpatternvariesfortheinhomogeneities,andinparticular,plugflowcanbeobservedinahydrophobicandhighlyconfinedcondition.Furthermore,thetransportoffluidissignificantlyenhanced.Theenhancement,definedastheratioofthesimulatedfluxtothefluxcalculatedbytheHagen-Poiseuillerelation,k