基于原子势的输液多壁碳纳米管系统动力学特性研究

以输液多壁碳纳米管系统为研究对象(以水作为流体介质)，将其分为三个部分，即多壁碳纳米管，被管壁吸附的多层水分子层（多层水壳）和管道中心的泊潇叶流。系统考虑固体、液体以及固液界面的主要纳观尺度效应，采用Lennard-Jones势函数理论建立固－固(壁间)、流－流(流体层间)、流－固(流体层与管壁)层间原子的相互作用能表达式，获取层间非线性范德华力，借助广义哈密尔顿变分原理，建立基于原子势的输液多壁碳纳米管系统的物理力学模型。通过理论分析和数值模拟，分析不同载荷（驱动压力、非线性范德华力、粘性剪力、流体动力等）作用下输液多壁碳纳米管系统动力学特性。揭示影响系统稳定性的关键因素，探索流动诱发碳纳米管振动及流体与碳纳米管相互作用的机理,寻找表征输液多壁碳纳米管系统稳定性的新方法和新判据。

碳纳米管（CNTs）在有望成为先进复合材料理想增强体的同时，也有望成为纳米输送系统的理想贮流、输流和传质传热元件。然而输液CNTs系统的动力学特性，人们了解甚少，因此探索输液CNTs系统动力学行为是非常必要的。为此，本项目以输液多壁碳纳米管系统为研究对象(以水作为流体介质)，将其分为三个部分，即多壁碳纳米管，被管壁吸附的多层水分子层（多层水壳）和管道中心的泊潇叶流。借助广义哈密尔顿变分原理，建立基于原子势的输液多壁碳纳米管系统的物理力学模型。通过理论分析和数值模拟，分析不同载荷作用下输液多壁碳纳米管系统动力学特性，揭示影响系统稳定性的关键因素。.研究工作取得了显著的成果，发表学术论文5篇，其中SCI收录4篇，（两篇为中科院JCRⅠ区论文），EI收录1篇；已受理发明专利2项；撰写学术专著1本《输流多壁碳纳米管的动力学特性研究》（正在出版过程中，预计2016年6月出版）。本项目的研究成果主要集中在以下3个方面：.（1）建立输液多壁碳纳米管耦合系统的数学模型，考察范德华力等参数对系统动力学行为的影响。结果表明水流速度对碳纳米管的动力学行为影响很小，径向振动不能从管道中心的流体有效的传递给碳纳米管。此结果再次验证了水层为刚性壳体这个假设的合理性，随着流速的增加，系统出现分叉现象，碳纳米管与水壳之间存在的范德华力使碳纳米管的振动频率增加，而且首次发现范德华力可以改变系统分叉类型。.（2）基于非局部各向异性弹性壳模型研究碳纳米管在水中的轴对称振动。结果表明流体对环向振动频率无影响，当直径相同时其径向呼吸频率从低到高分别为是锯齿形，手性和扶手椅型碳纳米管，然而，频率的差异随着直径的增加而减小；此外，轴对称的径向、纵向和环向振动频率对于半径和小尺度效应非常敏感，但受手性的影响较小；最后，我们发现局部碳纳米管壳模型会导致过高地估计振动频率。.（3）基于修正的欧拉梁模型和Galerkin数值离散方法研究静电力驱动下的双壁碳纳米管的非线性振动。结果表明较大的长度和静电屏蔽系数会导致较小的吸合电压；随着电压的增加，两端固定双壁碳纳米管的振幅会出现跳跃现象，且它的振幅与吸合电压值远远高于悬臂碳纳米管；最后，范德华力的存在使得两管处于同轴振动状态。.本课题的研究在于探索流体与碳纳米管的相互作用机理及输流碳纳米管系统的稳定性，支撑微纳机电系统的发展。.