温度－速度梯度耦合纳米通道流体边界滑移研究

流体在固体表面的滑移流动将对微/纳尺度流体输运产生重要的影响，因此流体流动的边界滑移问题成为国际上微/纳尺度流体力学研究的热点和重点。本项目基于分子动力学方法，针对平行壁纳米通道中流体在温度－速度梯度耦合作用下的边界滑移问题进行数值模拟和理论研究。通过对模拟结果进行处理和分析，寻求温度梯度、速度梯度和流体边界滑移速度三者之间的关系，构建描述纳米尺度微通道边界滑移流动的温度－速度梯度耦合滑移边界条件；并通过分析固体壁面附近流体分子的微观构型及运动特性，揭示纳米尺度流－固界面处流体分子在温度－速度梯度耦合作用下的边界滑移机理，为探索纳米器械中流体的流动及边界滑移规律提供理论依据和指导。

本项目针对纳米尺度流体流动特性及边界滑移进行了数值模拟和理论研究，研究了碳纳米管、石墨烯等热点材料作为纳米通道时流体在热、力、电多场耦合作用下的流动特性和界面滑移、摩擦机理，初步设计探索了纳米尺度的流体器件，如纳米离合器、分子筛等，一定程度上阐明了纳尺度多场耦合作用下流-固界面滑移及摩擦机制，为基于纳米尺度流体流动理论的纳米器件设计与制造提供了理论指导。主要研究进展及成果如下：.1. 针对平行壁纳米通道内流体流动特性及边界滑移进行了研究，验证了修正二阶速度滑移边界条件的有效性。发现弱的流－固耦合强度、较高的温度和固体密度会导致较大的边界滑移。针对纳米通道中的压力驱动流的流动特性进行了研究，纳米通道中Poiseuille流压力梯度和流体平均流速近似呈线性关系；其斜率随孔宽的增大而非线性降低，分子动力学结果与连续介质理论方程的偏差随着微孔特征尺寸的减小而增大。.2. 研究了温度梯度作用下水银液柱在碳管内的运动特性。发现水银液柱在温度梯度作用下从高温区域向低温区域流动，且运动的加速度保持恒定；液柱运动的加速度随着温度梯度的增加而线性增加；温度梯度作用下碳管的总体震荡对水银液柱的运动影响较大，并考虑了液柱长度及液柱弯液面对温度梯度作用下液柱运动的影响机理。.3. 基于碳纳米管和水组成的纳米流体器件模型，提出了一个电控可调速纳米离合器模型，该模型可以在无电场情况下使离合器处于“离”状态，而在碳管带电情况下实现纳米离合器的“合”状态，并可以通过改变电场作用强度来改变传动效率，实现无级调速。并考虑了其在不同温度、库伦作用和负载效应下的流体传动机理，通过分析碳管管壁之间的水分子构型和运动特性探讨了外载、库伦作用和热效应对流体传动过程的影响。.4. 针对弯曲碳纳米管和氮气-氧气组成的混合气流系统，研究了氮气和氧气混合气体分子在经过碳纳米管的弯曲节时的气体分离情况，重点考虑了不同的温度、压强和气体配比对气体分离效果的影响。发现较大的气体压强，适中的温度，混合气体中氮气比重低于75%时，有利于氮气和氧气混合气体的有效分离。. 本项目以发表学术论文为主要成果提交方式，共发表学术论文16篇，SCI收录13篇，EI收录3篇，撰写英文专著1部（章节）。其中，项目负责人作为第一作者发表学术论文7篇，SCI收录6篇，英文专著1部。积极开展学术交流与合作，参加国际会议2次，国内会议3次。