充流多壁碳纳米管的流体结构相互作用机理研究

以充流多壁碳纳米管系统为研究对象，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，建立多壁碳纳米管与泊潇叶（Poiseuille）内流相互作用的耦合数学模型。采用光滑粒子流体动力学（SPH）与分子动力学（MD）耦合的多尺度方法研究充流多壁碳纳米管耦合系统的动力学特性。通过数值模拟和分析，研究驱动压力、非线性范德华力、粘性剪力、流体动力、管壁流弹性作用力等对耦合系统动力学行为的影响，揭示影响耦合系统稳定性的关键因素，探索流动诱发碳纳米管振动及其流体与碳纳米管相互作用的机理,在机理研究的基础上寻找表征充流多壁碳纳米管系统稳定性的新方法和判据。

大量研究表明碳纳米管(CNTs)有望成为纳米机械系统的理想贮流、输流和传质传热元件，在微/纳机电系统领域的研究中具有重要的意义。目前关于CNTs固体力学性质和CNTs中流体流动特性研究的文献不断增多，但对充流CNTs的耦合特性及稳定性问题的研究还处于初级阶段。有鉴于此，本项目以充流多壁碳纳米管系统为研究对象，采用Lennard-Jones势函数理论，借助广义哈密尔顿变分原理，建立多壁碳纳米管与内流相互作用的耦合数学模型，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, 揭示影响耦合系统稳定性的关键因素。.通过该项目资助，研究工作取得了显著的成效，已发表学术论文8篇，其中SCI收录5篇，EI收录3篇。本课题的研究内容和重要成果主要集中在如下几个方面：.（1）建立充流多壁碳纳米管耦合系统的数学模型。以充流多壁碳纳米管系统为研究对象(以水作为流体介质)，采用Lennard-Jones势函数理论建立固－固(管壁间)、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，建立基于原子势的充流多壁碳纳米管系统的物理力学模型。.（2）研究耦合系统的动力学行为。通过理论分析和数值模拟，分析不同载荷（驱动压力、范德华力、流体动力等）作用下充流多壁碳纳米管系统动力学特性，结果表明由于范德华力的存在，碳纳米管的振动频率增加，同时，系统的稳定性得到了提高；流速对系统的稳定性影响很大，但是对碳纳米管的动力学行为的影响可以忽略不计。.（3）研究温度场、轴向预应力、小尺度效应对多壁碳纳米管的屈曲行为的影响。结果表明临界屈曲载荷与温度、小尺度效应和波数有关。随着轴向波数的增加，小尺度效应的影响逐渐增强；在低温和室温条件下轴向屈曲载荷随着温度的升高而增加，而在高温条件下轴向屈曲载荷随着温度的升高而降低。.（4）应用多尺度法研究多壁碳纳米管的非线性振动,分析初始条件对系统动力学行为的影响。结果表明非线性模态可以分成两类—耦合模态与非耦合模态，分别对应着系统有内共振和无内共振的情况。进而获得系统同轴和非共轴振动情况，发现碳纳米管的频率随着振幅的增加而增加。.本项目的研究达到了预期目标，研究工作取得了显著成效，在碳纳米管与流体的相互作用机理以及充流多壁碳纳米管系统稳定性方面做出了一定的贡献。