大会2015集ms4216纳米通道流体流动耗散粒子动力学模拟

*（中国科学院过程工程研究所,中国科学院绿色过程与工程重点实验室，北京+（中国科学院大学，北京 滑移修正的子动力学（moleculardynamics,）为主的离散模拟方法成为人们研究纳Thma等人6采用对水在碳纳米管中的流动进行模拟观察到远高于理论值认为因碳纳米管天然的疏水性而产Alxiadi等人7对水分子在碳纳米管中的结构进行了深入探讨拟发现了纳米管中流体性质链动然能够较为准确地计结计难以应用于样本数较大的体质的统计。耗散粒子动力学（dissipativeparticle设通道中心处z=0,壁面处

=-

-v(z) (z-D

Q=

d

dz)=-

𝑍= ,vx(Z)={{Z=D =

DzZ进而可知通量计算公式为

vx(𝑍)=0

[ [𝑄

𝐷∫𝜌(𝑧)

'

在后文中我们将用耗散粒子动力学模拟对此公式进行验证 f=∑FC+FD+FR i≠ 三种力的作用形式分别为FC= FR=σωR(r)ζij∆t-

其中，rij=ri-rj,rij=|rij|eij=rij/rij,vij=vi-vj。参数aij为斥力系数，表示两珠子间斥力的最大值。σ和γ分别为噪声因子与摩擦系数，二者之间应满足一定关系：σ2=2γkBT，ωD=(ωR)2 σ=3.0γ=15𝜔 4.5；代表权函数，其一般形式为{0 r>ωC=ωD=（ωR）2=1- {0 r> 体系中所涉层壁面珠子（厚度为1）呈面心拟过程中在其位置上震动以维过增大最外层流体之间的排斥力实现间的排斥力是通过调节保守力参数a来调a的大小在宏观现为壁面的疏水性质图2为流体在壁面上的接触角随a变化关系的模拟结a取值强为将疏水性控制在合理的范围对流动们在模拟过程中将参数a的取值设为：20/22/25/28/30/32/35/3840层壁面珠子作用参数统一取为50。contactcontact0 a本研究中的密度均为流体珠子数密度。在首先进行的纳米通道平衡密度的模拟中ρ 在纳应造成的不可忽略的密度不均匀性是产生其它变化的根们选取了3a35体系中的密度分布（图4）进行说明：在壁面/层状结构7使流体密度呈现震荡间距荡幅度逐渐减弱并趋近于宏观们将流体区域划分为靠近壁面的非均匀区与远图4中标明；无论流体处于无外inhomogeneousinhomogeneousbulk 4ρ0- - z图4.两平板组成的纳米通道内密度分布4ρ0 为了探究通道空间尺寸与壁面疏水性质是否对们分别改变上述两个变结图5为疏水性相同（a35）但空间尺寸不同的通道中近壁面处为了结观们设壁面处为位置坐标图仅1时曲线这可以解释为：在极为导致流体呈现这一结果对我们来说具有重要意义虽然我们无法对所有尺寸的通道一一进行模拟可以对各尺寸通道中的密度分布情况进行推测质处荡规律与范围则不难宽总流体区域的比率逐渐对流动的影响也相应动规律也逐渐趋于宏观流动动区域内的流体将聚集在紧密排列的链状结这一结构将使流动更有效率16图6为相同543ρ210- - - -图6.壁面疏水性对近壁处密度分布的影响xμ=-τzxdv(z)x z- z-

Ai<τzx(z)=V∑mvi,z[vi,x-ux(z)]δ(zi-z)-2 Ai<

)Θ( 54423ρ 210

bulk- - - - 图8.不同大小通道内流速分布：(aD=6,a=35；(b) 。vx vx

“”=1D=6中，9-通量的变化规:D=L - particleparticlecountervelocityintegration0 图10两种通量统计方法比较ε 图12中展示了不同通道ε随平板间距的变显看出𝜀受平板间性质间距较小时ε值较间ε值逐渐减小并最终趋于1对于同样强ε值这一变化趋势与Guo等人17针对水与碳纳米管体系的分子模结这种现象可以得到很好的解释壁面疏水性增大而增大的规律与流率变强受限空间中流体的集中有序排布进一步促进流动围内出现ε随减小而急剧增大的现Q g图11通量随驱动力变化876ε4321 .们通过式（7）计算了a25a35两种计算值与模拟结果基本一致（图13们认为纳米通道内流体的不均匀分布是造成流动主体流动虑间变化的计算式不再适用于纳下的流动变化重新引入运动方程后推导得到的通量计算公式则与0 图13通量模拟结果与计算结果的比FornasieroF,ParkH,HoltJ,StadermannM,GrigoropoulosC,NoyA,BakajinO.Ionexclusionbysub-2-nmcarbonnanotubepores.ProceedingsoftheNationalAcademyofSciencesoftheUnitedStatesofAmerica,2008,105:17250-17255HoltJ,ParkH,WangY,StadermannM,ArtyukhinA,GrigoropoulosC,NoyA,BakajinO.FastMassTransportThroughSub–2-NanometerCarbonNanotubes.Science,2006,343:752-754MajumderM,ChopraN,AndrewsR,HindsB.Nanoscalehydrodynamics:Enhancedflowincarbonnanotubes.Nature,2005,438:44VerweijH,SchilloM,LiJ.FastMassTransportThroughCarbonNanotubeMembranes.Small,2007,3:SparreboomW,BergA,EijkelJ.Transportinnanofluidicsystems:areviewoftheoryandapplications.NewJournalofPhysics,2010,12:1-23ThomasJ,McGaugheyA.Reassessingfastwatertransportthroughcarbonnanotubes.Nanoletters,2008,AlexiadisA,KassinosS.MolecularSimulationofWaterinCarbonNanotubes.ChemicalReviews.2008,108:KasiteropoulouD,KarakasidisT,LiakopoulosA.DissipativeParticleDynamicsinvestigationofparametersaffectingplanarnanochannelflow.MaterialsScienceandEngineeringB,2011,176:1574–1579FengR,XenosM,GirdharG,KangW,DavenportJ,DengY,BluesteinD.Viscousflowsimulationinastenosismodelusingdiscreteparticledynamics:acomparisonbetweenDPDandCFD.BiomechModelMechanobiol,2012,11:119-129YanK,ChenY-Z,LiuG-R,HanJ,WangJ-S,HadjiconstantinouN.Dissipativeparticledynamicssimulationoffield-dependentDNAmobilityinnanoslits.MicrofluidNanofluid,2012,12:157–163RitosK,MattiaD,CalabroF,ReeseJM.FlowenhancementinnanotubesofdifferentmaterialsandJournalofChemicalPhysics,12HoogerbruggeP,KoelmanJ.Simulationmicroscopichydrodynamicphenomenawithdissipativeparticledynamics.EurophysicsLetters,1992,19:155-16013EspanolP,WarrenP.statisticalmechanicsofdissipativeparticledynamics.EurophysicsLetters,1995,30:14GrootRD,WarrenPB.Dissipativeparticledynamics:Bridgingthegapbetweenatomisticandmesoscopicsimulation.JournalofChemicalPhysics,1997,107:4423-443515CannonJ,HessO.Fundamentaldynamicsofflowthroughcarbonnanotubemembranes.MicrofluidNanofluid,2010,8:21-3116IrvingJH，KirkwoodJG.Thestatisticalmechanicaltheoryoftransportprocesses.IV.Theequationofhydrodynamics.JournalofChemicalPhysics,1950,18:81717SuJ,GuoH.Effectofnanochanneldimensiononthetransportofwatermolecules.JournalofPhysicalChemistry.B,2012,116:5925-5932DissipativeParticleDynamicsSimulationofFlowwithinWangYuying1,2XuJunbo1Yang(1KeyLaboratoryofGreenProcessandEngineering,InstituteofProcessEngineering,ChineseAcademyofSciences,Beijing100190,(2UniversityofChineseAcademyofSciences,Beijing100049,AbstractThebasiclawofflowwithinnanochannelsisinvestigatedbythedissipativeparticledynamicssimulationandtheoreticalanalysis.Theinfluencesofwall/fluidinteractionsandthedimensionsofthechannelsarediscussedrespectivelybyexaminingthedensityprofiles,velocityprofilesandfluxes.Theresultsshowdensityandviscosityinhomogeneitiesnearthewall/fluidinterfaces,whicharedeterminedbythewall/fluidinteractionswhilethedimensionsortheflowrateshavenoeffect.Theflowpatternvariesfortheinhomogeneities,andinparticular,plugflowcanbeobservedinahydrophobicandhighlyconfinedcondition.Furthermore,thetransportoffluidissignificantlyenhanced.Theenhancement,definedastheratioofthesimulatedfluxtothefluxcalculatedbytheHagen-Poiseuillerelation,k