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微纳尺度通道中流体粘度特性的分子动力学研究

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微纳尺度通道中流体粘度特性的分子动力学研究

作者：骆双双中国计量学院

学位级别：硕士

随着科技的进步和纳米技术的发展,各种微纳器件的应用越来越广泛。许多微纳器件内部都涉及到流体的流动,而当特征尺寸减小时,流体会出现违背常规尺度流动规律的现象,目前有关微纳尺度下流体流动规律的研究还远远不够。本文利用分子动力... 详细信息

随着科技的进步和纳米技术的发展,各种微纳器件的应用越来越广泛。许多微纳器件内部都涉及到流体的流动,而当特征尺寸减小时,流体会出现违背常规尺度流动规律的现象,目前有关微纳尺度下流体流动规律的研究还远远不够。本文利用分子动力学方法深入研究了纳米尺度通道中流体的粘度特性,这对于微纳尺度器件的精确设计具有较大意义。首先针对纳米尺度通道流体流动模拟中壁面原子数过多,计算量过大的问题,提出了虚拟壁面方法,简化了模拟时壁面原子与流体分子之间作用力的计算,提高了计算效率。其次,在分子动力学中,通过模拟得到流体流动时的速度梯度与剪切应力分布,从而基于牛顿粘性定律,获得纳米尺度通道中流体的等效粘度分布。然后利用该方法研究了纳米尺度气体的平板Couette和Poiseuille流动,并分析了通道中的粘度分布规律。根据等效粘度分布可以把通道分为两个区域:中心区和近壁面区。中心区的等效粘度与文献中的实验值符合良好,而近壁面区的流体等效粘度受到壁面原子的影响偏离实验值,距离壁面越近,流体运动的速度梯度越大,等效粘度越小,壁面影响厚度在35纳米左右。当通道高度较小时,整个通道都属于近壁面区,此时,等效粘度值均小于实验值。接着论文比较了不同气体密度、温度、剪切速度、通道高度、流固分子相互作用强度等对流体等效粘度分布的影响。研究发现,在Couette流中,壁面影响厚度随着壁面原子对流体分子斥力的增加而减小;在Poiseuille流中,壁面影响厚度随着气体密度的增加而减小,温度越高,气体等效粘度越大,与气体粘度的变化规律一致。最后,利用分子动力学方法研究了平板纳米尺度通道中的液体Couette流动。研究发现,液体密度越大,等效粘度值越大;当通道高度小于20纳米时,高度越小,等效粘度值越大。

关键词：等效粘度壁面影响厚度分子动力学微纳通道

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向列相液晶润滑性能分析

润滑与密封 2006年第8期31卷 55-57页

作者：张朝辉杜永平常秋英冯超北京交通大学机电学院北京100044

向列相液晶是具有分子取向有序的一种典型结构,其分子取向特性可由向矢表示。基于此给出了一维向列相液晶的流动方程,研究了具有不同Leslie系数的5CB和MBBA 2种向列相液晶在不同向矢角度的等效粘度,以及它们在平面滑块下的润滑特性。结... 详细信息

向列相液晶是具有分子取向有序的一种典型结构,其分子取向特性可由向矢表示。基于此给出了一维向列相液晶的流动方程,研究了具有不同Leslie系数的5CB和MBBA 2种向列相液晶在不同向矢角度的等效粘度,以及它们在平面滑块下的润滑特性。结果表明,随着向矢角度的增加,向列相液晶的等效粘度增加,承载能力也增加,这表明向列相液晶的分子取向对其润滑性能有重要作用。

关键词：向列相液晶向矢润滑等效粘度

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纳米颗粒固液二相冲击射流数值计算模型研究

激光与光电子学进展 2015年第3期52卷 205-210页

作者：马颖辉姜芳徐学锋北京林业大学工学院北京100083

基于计算流体动力学(CFD)分析软件Fluent,针对含纳米颗粒固液二相冲击射流,提出了一个新的基于等效粘度的多相流模型,并在不同纳米颗粒浓度下与不考虑固液相间相互作用的离散相模型(DPM)和考虑固液相间相互作用的DPM进行了对比,研究了... 详细信息

基于计算流体动力学(CFD)分析软件Fluent,针对含纳米颗粒固液二相冲击射流,提出了一个新的基于等效粘度的多相流模型,并在不同纳米颗粒浓度下与不考虑固液相间相互作用的离散相模型(DPM)和考虑固液相间相互作用的DPM进行了对比,研究了三种模型对工作面的动压、径向速度和轴向速度、喷嘴的出口速度、轴线的动压和速度等参量的影响,给出了三种模型的适用范围。研究结果表明,当纳米颗粒体积分数不超过10%时,可以使用等效粘度模型代替不考虑固液相间相互作用的DPM进行计算,最后给出了不同偏差率所适应的计算模型。

关键词：材料射流技术纳米颗粒等效粘度离散相模型流体体积模型

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纳米级液体薄膜流变特性的分子动力学模拟

仪器仪表学报 1995年第S1期16卷 245-249,252页

作者：胡元中王慧郭炎清华大学

本文以分子动力学方法模拟了纳米级液体薄膜的流变特性。模拟系统由两个平行的固体壁面和界于壁面间的流体分子构成。薄膜中流体分子的运动规律可由系统运动方程解得，再通过平均得到薄膜液体的宏观特性。计算结果表明，薄膜中液体的等... 详细信息

本文以分子动力学方法模拟了纳米级液体薄膜的流变特性。模拟系统由两个平行的固体壁面和界于壁面间的流体分子构成。薄膜中流体分子的运动规律可由系统运动方程解得，再通过平均得到薄膜液体的宏观特性。计算结果表明，薄膜中液体的等效粘度随着膜厚减小而逐渐增大，当膜厚减薄到一定程度时等效粘度急剧增加，流体完全丧失流动性。计算还表明，薄膜中粘度的变化与固一液相变有关，相变压力随着膜厚减小而降低，当它低于系统给定压力时，液体即发生固化。

关键词：流变特性液体薄膜分子动等效粘度纳米级液膜厚度力学模拟流体力速度剖面模拟系统

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边界层对壁面湍流流动高分子减阻的影响

力学季刊 2013年第1期34卷 169-174页

作者：郭付军李昌烽刘石兵王瑞魏家星刘磊江苏大学能源与动力工程学院镇江212013

以"粘性"机制为理论基础,近年来在壁面湍流高分子减阻研究中提出了一种拉伸的高分子会产生自洽的等效粘度模型,这种等效粘度随离开壁面的距离而改变。通过等效粘度模型与Navier-Stokes方程的结合,运用雷诺应力模型计算壁面湍流减阻,并... 详细信息

以"粘性"机制为理论基础,近年来在壁面湍流高分子减阻研究中提出了一种拉伸的高分子会产生自洽的等效粘度模型,这种等效粘度随离开壁面的距离而改变。通过等效粘度模型与Navier-Stokes方程的结合,运用雷诺应力模型计算壁面湍流减阻,并与基于高分子有限拉伸的非线性弹性哑铃模型的直接数值模拟结果进行比较,进一步校验了此等效粘度理论。通过肋条破坏槽道流中的边界层,显示了边界层对高分子减阻的影响,结果表明只有形成稳定的边界层,高分子才能有减阻作用。边界层是高分子减阻的首要条件,边界层中的粘性底层和对数率分布区之间的缓冲层可能是减阻的主要影响区域。

关键词：壁面湍流减阻等效粘度边界层高分子聚合物

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薄膜润滑状态下流体的流动特性分析

机械科学与技术 1998年第2期17卷 203-205,214页

作者：曲庆文朱均山东工程学院西安交通大学

应用分子动力学的基本理论和已有的实验数据对薄膜情况下的流体流动进行了分析。通过对简单的压力流和剪切流较精确的模拟，得出了流体在不同膜厚下的流动特性。由此可以看出，在分子级膜厚条件下壁面对流体的作用十分显著。通过以微观... 详细信息

应用分子动力学的基本理论和已有的实验数据对薄膜情况下的流体流动进行了分析。通过对简单的压力流和剪切流较精确的模拟，得出了流体在不同膜厚下的流动特性。由此可以看出，在分子级膜厚条件下壁面对流体的作用十分显著。通过以微观场的运动分析揭示宏观流动，为薄膜甚至边界润滑轴承性能分析提供依据。同时，可得出对壁面边界条件的解释。

关键词：薄膜润滑壁面效应等效粘度流体流动润滑

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改进毛细管粘度计的新思路

中国医学物理学杂志 2005年第5期22卷 663-665页

作者：晨阳梁玉娟秦任甲内蒙古医学院物理教研室内蒙古呼和浩特010059 河池学院物理系广西宜州546300

本文详细分析毛细管粘度计样液中剪变率的分布规律,揭示毛细管粘度计测出血液的粘度是等效粘度,提出以管两端压强差△p为毛细管粘度计测出的血液表观粘度的比较参照条件,从理论上解决了ηa-△p曲线的测绘,提供了改进毛细管粘度计的思路... 详细信息

本文详细分析毛细管粘度计样液中剪变率的分布规律,揭示毛细管粘度计测出血液的粘度是等效粘度,提出以管两端压强差△p为毛细管粘度计测出的血液表观粘度的比较参照条件,从理论上解决了ηa-△p曲线的测绘,提供了改进毛细管粘度计的思路.总之,对毛细管粘度计进行了具体深入、系统的探讨.

关键词：毛细管粘度计剪变率分布等效粘度粘度曲线

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微尺度Couette流的流动特性研究

微尺度Couette流的流动特性研究

作者：贾桂鹏河北工业大学

学位级别：硕士

随着纳米技术的进步与发展,微/纳机电系统在工业、医学以及物理研究等领域均得到了广泛应用。但是微/纳机电系统普遍存在非常规流动现象,这将大大限制此种系统的发展。本课题利用Material Studio分子动力学模拟软件,研究了微系统中Coue... 详细信息

随着纳米技术的进步与发展,微/纳机电系统在工业、医学以及物理研究等领域均得到了广泛应用。但是微/纳机电系统普遍存在非常规流动现象,这将大大限制此种系统的发展。本课题利用Material Studio分子动力学模拟软件,研究了微系统中Couette的流动特性,这对于解决微尺度流动具有重要意义。首先,本文以氩为基础流体,比较不同密度、壁面速度以及壁面材料对微通道中流动的影响。结果表明,流体密度越大,单个流体粒子所受到的作用力会越多,越不容易进行自由运动,流体扩散能力随之减弱。但是由于壁面吸引力的作用,导致壁面附近的等效粘度随着密度的增加而增加,相反滑移量将会减小;当壁面材料不同时,金属壁面比非金属壁面作用力要强,金属近壁面附近的等效粘度较大,滑移量相应较小;当壁面速度增加时,壁面附近流体粒子将会越少,等效粘度会随之减弱,使得流体粒子不易跟随壁面一起运动。其次,文章又对添加颗粒的Couette流进行了模拟计算,分析颗粒的存在是否会影响氩流体的运动。研究表明,颗粒的粒径以及数目均会影响微尺度的流动,颗粒粒径越大数目越多,通道中的基础流体越不容易扩散,壁面附近的流体粒子随着颗粒粒径增加或数目的增多而减少,不利于流体粒子跟随壁面运动;当颗粒材料不同时,微流体扩散性在金属粒子工况中较大。此外,文章利用分子动力学模拟研究了不同粗糙壁面间的流动特性,结果表明,壁面粗糙度越大,其附近流体粒子跟随性越强,滑移量相应减小。

关键词：分子动力学模拟 Couette流滑移等效粘度

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薄膜润滑径向轴承特性分析

中国工程科学 2003年第6期5卷 44-48,83页

作者：曲庆文柴山姚福生山东理工大学精密模具重点实验室山东淄博255012

薄膜润滑轴承的特性远不同于常规轴承 ,在考虑间隙对润滑剂产生的影响后 ,润滑剂的特性将发生较大的变化。由于这种变化 ,薄膜润滑的特性才被广泛地研究和重视。文章应用等效粘度修正模型对径向滑动轴承进行了性能分析 ,对无限宽轴承可... 详细信息

薄膜润滑轴承的特性远不同于常规轴承 ,在考虑间隙对润滑剂产生的影响后 ,润滑剂的特性将发生较大的变化。由于这种变化 ,薄膜润滑的特性才被广泛地研究和重视。文章应用等效粘度修正模型对径向滑动轴承进行了性能分析 ,对无限宽轴承可得出压力计算的解析表达式。

关键词：薄膜润滑等效粘度径向轴承