异质亲疏水纳米通道内流动换热的分子动力学研究

作     者：王胜 

作者单位：华北电力大学(北京) 

学位级别：硕士

导师姓名：徐进良

授予年度：2018年

学科分类：080701[工学-工程热物理] 08[工学] 0807[工学-动力工程及工程热物理] 

主      题：非对称浸润性 速度滑移 温度跳跃 纳米结构通道 分子动力学 

摘      要：采用分子动力学方法研究壁面亲疏水不对称的纳米结构通道内流体的流动换热过程,研究了异质壁面浸润性、驱动力和壁面纳米结构对于流体速度滑移和温度阶跃的影响,以及异质壁面浸润性对于流体内部能量传递过程的影响。研究发现:在受限空间内,近壁面区域的流体密度分布将会出现分层现象,跟壁面浸润性和纳米结构有着密切的关系。不对称的壁面浸润性将会导致纳米通道内流体密度呈不对称分布。近亲水壁面区域的流体相对密集,其密度分布的波动幅度比近疏水壁面区域的流体密度分布大。壁面纳米结构扩大了固体对流体的影响区域,增加了流体密度分层分布的范围。纳米通道主流区域的流体速度在驱动力作用下呈抛物线分布,但是纳米通道上下壁面浸润性不对称,导致速度分布不中心对称。在流动过程中流体产生黏性耗散效应,升高了流体温度。保持热壁面浸润性不变,增强冷壁面的疏水性,对近热壁面区域的流体速度几乎没有影响,滑移速度和滑移长度基本不变,始终为锁定边界。但是会导致近冷壁面区域的流体速度逐渐增大,对应的滑移速度和滑移长度随之增大。此时,近冷壁面区域的流体温度逐渐超过近热壁面区域的流体温度,通道主流区域的流体温度分布出现反转现象,热流逆向传递。随着两侧壁面浸润性不对称程度增加,流体反转温度分布更加明显。驱动力是纳米通道内流体流动的动力,必然影响通道内流体的流动换热规律。随着驱动力逐渐增加,通道内流体流速沿驱动力方向迅速增加,但是壁面浸润性的不对称导致近壁面区域的流体受驱动力的影响不相同。近热壁面侧的界面为锁定边界,随着驱动力增加,滑移速度的绝对值迅速增加,而滑移长度变化平缓。冷壁面侧的界面为滑移边界,滑移速度随驱动力增加而缓慢增加,滑移长度略微下降。在驱动力增加的过程中,近冷壁面区域的流体温度快速上升,逐渐超过近热壁面区域的流体温度,导致通道主流区域的流体温度分布出现反转现象,热流逆向传递。而且随着所施加的驱动力增加,流体反转温度分布更加明显。壁面纳米结构会影响近壁面区域的流体流动,从而改变纳米通道内的流动换热过程。相比于光滑壁面,壁面存在纳米结构时,流体的流动速度跟温度大幅度下降。光滑纳米通道内流体温度反转分布,随着壁面纳米结构高度增加,两侧近壁面区域的流体速度和温度逐渐下降,近冷壁面区域的流体温度会逐渐低于近热壁面区域的流体温度,通道主流区域的流体反转温度分布消失。