【毕业学位论文】分子动力学与连续介质力学耦合模型的研究及应用-热能工程博士论文

分类号 密 级 编 号 中国科学院研究生院 博士学位论文 分子动力学与连续介质力学耦合模型的研究及应用 李玉秀 指导教师 徐进良 研究员 中国科学院广州能源研究所 申请学位级别 博士 学科专业名称 热能工程 论文提交日期 2008 年 12 月 论文答辩日期 2009 年 1 月 培养单位 中国科学院广州能源研究所 学位授予单位 中国科学院研究生院 答辩委员会主席 21 of of y i u 2008 摘要 要 流固界面边界条件是制约能源动力系统能量转化、储存、及传递的关键科学问题之一，是一个古老而又没有彻底解决的问题，研究流固界面边界条件不仅具有重要的科学意义，又具有广义的工程应用背景。特别的，在广泛兴起的微纳高科技领域，通道尺度跨越纳米、微米、直到毫米的广阔区间。同时，流固材料、表面湿润性、粗糙度等诸因素均对边界条件有影响，使这个问题变得更加复杂。本文从以下四个相互关联的方面，开展了流固界面边界条件的深入研究。 建立了完整的界面边界条件问题的参数表征体系， 揭示了影响流固界面边界条件诸因素及各参数之间的内在联系及因果关系。 在该表征体系的框架下，从流固原子相互作用的微观机制及短程力特点出发，提出了 三原子模型 ，在理论上获得了制约界面边界条件的准则数，建立了该准则数与界面湿润性之间的内在联系。物理上，当该准则数等于 ，表示亲水性表面，对应无滑移或锁定边界条件。当该准则数偏离 ，表示疏水性表面，对应滑移边界条件。 研制了分子动力学计算程序 计算微库特流 /泊肃叶流场，验证了所提出的三原子模型的正确性，复现了纳米尺度下固液界面 滑移、无滑移、及锁定三类边界条件 ，并发现了高剪切率下的非牛顿流体特性。 研制了分子动力学与连续介质力学跨尺度耦合模型计算软件 计算纳米、微米、直到毫米尺度下的速度场。提出了划分计算区域的方法，即与固体壁面相邻近的 ，中间重叠区、及远离流固界面的 。对各计算区域，给出了严格的数学描述。在重叠区导出了保证在空间上连续，在时间序列上收敛的约束条件。 采用该模型， 研究了从微纳米到宏观尺度下界面边界条件这一长期悬而未决的难题，发现了 滑移长度守恒原则 ：即滑移长度相对于通道尺度来说是不变的，仅取决于流固材料匹配。滑移长度守恒原则表示边界条件问题的本质，也称为边界条件的绝对性。另一方面，随着通道尺度的增加，界面上的流体相对滑移速度无限趋近于零。该特性称为边界条件的相对性，反映边界条件问题的表面现象。本质上，对于边界条件问题来说，不存在宏观与微观之分。 边界条件的绝对性与相对性 是一个问题的两个方面，它的发现为正确模拟微纳流动提供了科学依据。 关键词 : 分子动力学 跨尺度耦合 界面边界条件 of i (u on is of to in It is an of a is in in on on A of a of A is to to or of to A of of of at 中国科学院研究生院博士学位论文 to D to S in in in in to on on a is as of On at is is as of is no to of of of 录 摘 要 . I .一章 绪论 .纳米技术和微机电系统概述 .微型化在各学科领域引起的新问题 . 各学科领域在微尺度下的新问题 . 与流体流动相关的微尺度效应 .微流体 . 微流体流动与传热的基本特点 . 微流体应用 . 微流体理论 .界面边界条件 . 界面边界条件的发展历史 . 界面边界条件的研究现状 .多尺度耦合问题 . 多尺度科学概述 . 多尺度科学研究现状 . 跨尺度模型的研究意义和研究内容 .本文的研究内容 . 研究内容 . 论文的引用及其它情况 .二章 界面边界条件问题的理论分析 .边界条件类别 . 分子滑移 . 表观滑移 .界面滑移的控制参数 .本章的理论模型解决问题的范围及依据 .势函数 . 能模型 . 能解析表达式的无量纲化 . 能结构解析 . 固体壁面分子和液体分子间的 能 .物理模型 . 物质结构 . 晶体学指数 . 面心立方晶体结构 . 液氩及固壁分子晶体晶格长度的确定 . 物理模型的简化依据 .固液分子作用强弱引起的界面滑移的控制因素 . 固液粒子密度比 . 能量尺度比的影响 . 长度尺度比对势能结构的影响 .国科学院研究生院博士学位论文 控制界面边界条件的无量纲准则 . 无量纲准则数 的推导 . 当 0 时第二层固体原子 D 对边界条件的影响 .章小节 .三章 分子动力学模拟纳米尺度界面边界条件 .分子动力学方法 . 控制方程 . 截断半径 . 运动方程的积分 . 分子动力学元胞 . 初始条件 . 参数无量纲化 . 参数平均 .计算模型 . 几何模型 . 控制方程 . 结果与讨论 .库特流计算模型 . 几何模型 . 控制方程 . 控制参数 .库特流结果与讨论 . 速度场 . 液体分子空间排列、固液势能结构、固液相互作用参数和界面边界条件间的关系 . 平行于 面的粒子空间分布 (布 ) . 垂直于 面的密度场 . 固液相互作用参数与滑移长度的拟合 . 尺度对滑移长度的影响 .章小节 .四章 分子动力学与连续介质力学耦合模型的研究 .分子动力学与连续介质力学耦合方法简介 .库特流分析 . 区域分解 . 库特流的速度三角形 . 计算中涉及的参数 .耦合模型 . P）区计算 . C 区及耦合区计算 . 耦合模型迭代过程 .耦合方法验证 .结果与讨论 . “大尺度”通道内的速度场 . 近壁区平行固体壁面方向的液体粒子排列 .录 滑移长度守恒原则的证明 . 滑移长度守恒原则导致的辅助控制参数的变化趋势 .章小结 .五章 结论 .考文献 . 谢 .学期间发表的学术论文 .一章 绪论 1第一章 绪论 流体流动中的界面边界条件问题是一个即古老又年轻的问题， 最早可以追溯到 18 世纪。近年来，随着微加工技术和微探测技术的飞速发展，特别是微机电系统的出现，界面边界条件问题又引起了人们的兴趣。研究界面边界条件问题对于与流体接触的微小尺度系统具有重要的科学意义和实际工程意义。 纳米技术和微机电系统概述 爱因斯坦曾经预言：未来科学的发展无非是继续向宏观世界和微观世界进军。近十余年来科学技术发展的一个重要趋势是向微型化方向发展。 纳米是一种长度单位，1 纳米是 1 米的十亿分之一。纳米技术的概念最先由美国物理学家费因曼在 1959 年提出，20 世纪末，随着扫描隧道显微镜和原子力显微镜的出现，人们能够分辨 1 纳米大小的物质，于是出现了纳米技术，又叫做毫微米技术。纳米技术是指在纳米尺度的范围内，通过直接操纵和安排原子、分子来创造新物质材料的技术。纳米技术实际上就是一种用单个原子，分子制造物质的科学技术，是 21 世纪最有前途的技术。中国科学院化学所用自己研制的扫描隧道显微镜，在石墨晶体表面刻写出一幅中 国地图，见图 11。美国学者也利用扫描隧道显微镜实现了单个原子的操纵。 纳米技术给人类社会的发展带来了一场革命。 图 1 1在石墨晶体表面刻写出一幅中国地图 微机电系统（微纳米技术发展成果的典型代表，1989 年在美国盐湖城会议上首次提出。是指可批量制作的，集微型机构、微型传感器、微型执行器以及信号处理和控制电路、直至接口、通信和电源等于一体的微型器件或系统，特征尺度在 1 微米到 1 毫米之间。工和利用紫外光刻中国科学院研究生院博士学位论文 2的准 工、微细电火花加工（、超声波加工、等离子体加工、激光加工、离子束加工、电子束加工、立体光刻成形等。硅为主要材料，具有良好的机电性能，体积小，重量轻，硬度大，导热效率高，耗能低，响应快。适合批量生产，成本低，高度集成化，可以将微传感器，微执行器和微电子器件集成为复杂的微系统，具有高可靠性和稳定性。但是，度的集成化也使其成为多学科交叉的高端技术，涉及电子，机械，材料，物理，化学，生物，自动控制等多种学科。辟了一个新的技术领域和产业，典型的 件和系统包括：微传感器（如微加速度计 ，已大量用于汽车的防碰撞气袋） ，微执行器（如微型电机） ，微型生物化学芯片，微型机 器人，微型飞行器，微型动力系统等。泛应用于农业，工业，信息，国防，空间技术，航海，生物工程，医疗，环境，汽车等技术领域。微系统不仅具有广阔的应用前景，也向基础研究领域提出了挑战，微系统是 21 世纪科学技术的最重要的发展方向之一，它将会对所有的科技领域产生冲击1。 微型化在各学科领域引起的新问题 微系统与以往的传统科学相比带来两个方面的新问题： 一是尺度效应带来的微科学问题，包括微力学，微摩擦学，微材料学，微制造学，微电子学，微光学，微化学等；二是多能域耦合所导致的多学科交叉问题，包括机、电、磁、热、光、声、化学、生物等功能的集成与信息的多重耦合2。研究各学科在微观下引起的科学问题及相互作用是微系统分析、设计，制造和运行的基础。 统中的物理现象与宏观尺度相比， 并不是简单的尺寸缩小，而是会改变物理因素在过程中的重要性，或者出现新的对过程起作用的物理因素，这使得许多物理现象与宏观世界有很大差别。 因此许多原来的理论基础都会发生变化，如力的尺寸效应、微结构的表面效应、微观摩擦机理等，原有的宏观尺度的常规理论必须作出修正， 甚至要发展出新的适合微观尺度下的理论， 如微动力学、微流体力学、微热力学、微摩擦学、微光学和微结构学等。 各学科领域在微尺度下的新问题 力学领域。随尺度的减小，各种作用力的比重关系发生重大变化。在微系统中表现出静电力 表面张力 弹性力和黏性力 重力、惯性力和电磁力。因此在微系统中表面力和黏性力起主要作用3。微尺度力学现象与宏观尺度差异很大，比如静电力在宏观系统中常被忽略，但在微尺度下静电力是一种常见的驱动方式。 动力学领域。我们知道，每一种动力学理论都有其最适合的应用范围。经典牛顿力学适合描述宏观系统，直至特征尺度 1m 的微系统仍然适用；对于特征第一章 绪论 3尺度在 10 1采用 程考虑布朗分子运动的影响；特征尺度在 10下的纳观微系统要用量子统计动力学描述4。 热力学领域，当物体尺度缩小至与粒子运行的平均自由程同一量级时，介质连续性等宏观假设不再成立，或者连续介质宏观假设仍然成立，但物体尺寸微小化导致了宏观规律的变化。 微机械特性和微观摩擦学。微结构材料机构特性中的弹性模量，波松比，疲劳极限，强度，以及内应力和内部缺陷的研究需要重新作出科学的表述。微观摩擦学包括纳米摩擦学行为及其控制研究，薄膜润滑与超滑技术研究，微观表面形貌与表面力学，表面物理效应研究，微磨损和微观表面改性研究。尺度的减小使得原有的摩擦理论不再适用于微系统。比如，运动副中的摩擦力可能不再与压力成正比，而主要来自分子与原子间的相互作用；常规机械润滑用的润滑油在微机械里其黏性的影响变得很大。 我们所熟知的宏观摩擦学理论只是对物理现象的唯像描述，而没有反应摩擦的微观机理，目前正在开展的纳米摩擦学旨在从原子尺度上解释摩擦的微观机理。 与流体流动相关的微尺度效应 流体在微纳系统中的流动过程存在着尺度效应。尺度效应见表 1。 表 1- 1 可能的尺度效应 稀薄气体效应 在微米或更小尺度下，气体表现出稀薄效应，不再满足连续介质力学假设，要用分子模型、波尔兹曼等方法进行模拟。 界面滑移效应 对于气体在微通道内的流动，稀薄气体效应直接导致界面滑移。对于液体在微纳通道内的流动，界面边界条件的确定要采用分子动力学模拟，或分子动力学与连续介质力学耦合模型。 粘性耗散效应 流体在微通道内的速度梯度随尺度减小而增大，不同层流体之间的切应力将动能耗散成热能。在略高的 引起绝热流动的流体明显升温。 离心效应 在微纳系统中，当流体微团作圆弧运动时，其离心力与特征尺度(如转角半径 ) 成反比。当流体受迫通过 T 型、直角等微结构时，容易引起二次流，或离散相的内循环。 毛细效应 跨过流体自由表面两侧的压力差为 p=2/r，这里 r 是曲率半径。随尺度减小， p 增大。对于 100 气泡，其内外压差可达 150 实际上，微纳系统中的尺度效应远不止这些，更详细的描述见59。 中国科学院研究生院博士学位论文 微流体 微米乃至纳米结构中流体的流动是微流体系统研究的基本问题之一。许多件都含有与流动有关的部件，甚至是基于流动的某种原理而制成。如微阀，微推进器，微泵等都遇到微流体流动的情况。再如，在生物、化学、材料等科学实验中，经常需要对流体进行操作，如样品 制备、 应、电泳检测等操作都是在液相环境中进行。生物芯片技术将样品制备、生化反应、结果检测等步骤集成，与传统实验方法比较具有强大优势，而这时功能强大的微流体装置就显得必不可少了。为了精确设计微流体系统中所需的器件，首先要确定微通道中流体的流动性质， 而微流体技术和微流体学正是在这一背景下应运而生的。 微流体技术是指在微观尺寸下控制、操作和检测复杂流体的技术，是在微电子、微机械、生物工程和纳米技术基础上发展起来的一门全新交叉学科。微流体技术随着 兴起而得到迅速发展，特别是随着微流控芯片技术的发展，微流体技术作为微流控芯片的一项关键支撑技术也得到了人们越来越多的关注。与微电子技术不同，微流体技术不强调减小器件的尺寸，它着重于构建微流体通道系统来实现各种复杂的微流体操纵功能。与宏观流体系统类似，微流体系统所需的器件也包括泵、阀、混合器、过滤器、分离器等。尽管与微电子器件相比，微通道的尺寸显得相当大，但实际上这个尺寸对于流体而言已经是非常小。微通道中的流体流动行为与人们在日常生活中所见的宏观流体流动行为有着本质的差别，因此微泵、微阀、微混合器、微过滤器、微分离器等微型器件往往都与相应的宏观器件差别甚大。 微纳米系统中液固界面化学性质，流体运动，动电现象，热传导，电解质离子输运，多物理场，多介质的耦合相互作用是微纳米流体系统的基本问题10，微流体学是研究微流体元器件以及整个集成分析系统综合流动特性的学科。 微流体流动与传热的基本特点 微通道中的流体流动规律是微纳米流体系统基本问题的一个重要方面。 微流体流动与宏观流体流动相比较不是简单的尺寸缩小， 微尺度流动所基于的物理因素与宏观流动不同，许多物理现象将与宏观世界有很大差别。例如，文献11和12阐述了在微管道中气体流动出现沿流向压力梯度的非线性变化现象。 微尺度下流体流动所特有的现象包括： 电双层效应， 界面滑移效应， 稀薄气体效应，表面张力效应等。原有的宏观流体力学体系不再适用于微尺度流体流动，研究微尺度下流体的流动规律对于改进微机电系统功能具有重要意义。 微尺度流动的特有规律首先是小尺度下表面积与体积之比增大造成的。 常规尺度的物体， 如 1 立方米的物体， 表面积为 6 平方米， 表面积与体积之比为 61m，第一章 绪论 5而 1 立方微米的物体，表面积与体积之比为6110 m。表面积与体积比的增大对于与表面有关的流动，传热和传质过程有很大影响。对传热的影响表现在：增加了换热器的换热面积，一方面对于需要散热的器件，可以提高换热效率，比如目前研制的一种小型换热器，体积 143m ，而换热表面积达到 36002m 。表面积与体积之比达到 257 1031m，换热的效率得到了极大提高13。另一方面，对于像微发动机这样的器件，常规发动机燃烧室的面积体积比约为 3 51m，而微发动机的燃烧室为 5001m，表面热损失很大14，这是面积体积比增大带来的不利影响。 其次是引起稀薄气体效应。随流体通道尺寸的减小，粘滞力相对增大，单位长度上流体的压降增大，沿通道方向流体的密度发生很大变化，尽管通道进口当地 很小，但出口 以很大，必须考虑可压缩性；同时流体沿通道剧烈加速，稀薄性影响逐渐显露。在稀薄气体动力学中，用 表示气体的稀薄程度，定义为气体分子的平均自由程 和气体通道特征尺度 H 之比，即 (气体流动按 分为五个区： 0 时，忽略分子扩散，气体流动采用欧拉方程描述； 后为自由分子流区。当气体流动的 大于 ，连续介质假设失效，气体流动与换热呈现新的特点。过渡区与自由分子流区气体流动由 程描述。 最后，引起界面力效应。对流动的影响表现在：在微尺度系统中作用在流体上的体积力与表面力的相对重要性发生了巨大的变化：表面力的地位上升：随着尺度减小， 粘性力相对作用增强， 惯性力作用变小， 越靠近壁面这种规律越明显。对于液体，双电层，电粘性，电渗，电泳等界面效应明显。 微流体应用 近年来微流体技术 (快速发展，已经在物理，化学、光学、医药及生命科学等领域上造成革命性的冲击。 在生命科学领域，如生物芯片上的大部分操作过程都要依靠微流体技术完成。生物芯片更被视为是后基因时代 (来解读基因序列之重要工具。微流体生物芯片目前受到极大的重视。微流体芯片，又被称为 “芯片实验中国科学院研究生院博士学位论文 6室 ”(它是利用微机电技术将一般实验室所使用的分离纯化混合，以及酵素反应等装置微小化到芯片上，以进行生化