用分子动力学方法研究气-固界面的相互作用

气固界面相互作用是重要的力学问题之一，其研究具有重要的学术价值，在异相催化、晶体生长等众多工程技术领域有着重要的应用价值。本项目联合使用直接模拟Monte Carlo方法、分子动力学方法，从分子水平对气固界面相互作用进行直接模拟，将固体壁面也纳入模拟系统，兼顾计算效率的同时消除人为干扰，使得数值模拟最能反映客观物理过程。获得气固相互作用时固体壁面粒子的响应特征以及气体分子的散射特征，分析来流条件、壁面微观结构、壁面温度等宏观性质、粒子间相互作用势函数等的影响,建立气固相互作用模型，并研究滑移边界条件等对宏观流动作用的具体表述。该项目的实施可以加深对流(气、液)-固界面相互作用的机理认识，对工程应用中气固/液固两相流的数值模拟，也可以提供相关的模型理论依据。

气固界面相互作用是重要的力学问题之一，其研究具有重要的学术价值，与之密切相关的固壁边界条件在微尺度流动理论研究中至关重要，在异相催化、晶体生长等众多工程技术领域也有着重要的应用价值。本项目将固体壁面也纳入模拟系统，从分子水平对气固界面相互作用过程进行直接模拟，先后发展了嵌入法、分区法等联合使用直接模拟Monte Carlo 方法与分子动力学方法的耦合算法，该方案与国际同行同期工作相比也是相当的。为了克服耦合算法计算量太大的困难，单独采用分子动力学方法研究单个气体分子的反射特征，扫描入射状态建立数值散射核。结果表明气体分子在规则固体壁面上的反射状态不仅与入射运动参数有关，还与微观相对位置有关，这些特性与Maxwell模型等经典气固相互作用模型有较大不同；按照经典理论定义的壁面调节系数不再是常数，而在较大范围内变化；常规条件下的气体分子入射不会对固壁微观结构产生明显影响。另外，以体积力驱动的微尺度Poiseuille流为基本对象，考察了高阶连续模型对微流动非连续特征的刻画能力，特别讨论了边界条件的影响，尤其是温度跳跃条件及其中的温度调节系数对微尺度Poiseuille流横向特征影响明显。流(气、液)-固界面相互作用微观上输入条件太多、现象复杂多变，研究难度大，本项目的实施对研究方法进行了有效的探索，数值散射核的思想在目前可行性也很强，耦合方法则随着计算能力的快速提高将会发挥更大的作用，对气固相互作用过程的模拟及机理的初步分析为进一步探讨这一基础问题奠定了良好的基础。