流/固界面动量与能量传递规律的分子动力学研究

本项目旨在通过分子动力学方法研究流体在具有不同性质和不同纳米结构的固体表面上的动量和能量传递规律；流体模拟以空气和水为对象，固体表面模拟选择硅、铝和聚氟乙烯材料；从原子/分子尺度模拟流体在固体表面上的速度滑移和温度跳跃现象，分析固体表面的物理化学性质、温度梯度、流体剪切率、流体分子性质、以及固体表面的纳米结构对速度滑移和温度跳跃的影响规律，尤其是速度滑移和温度跳跃间的联系。意图在分子动力学模拟的基础上总结流/固界面处的动量传递与能量传递规律，同时在气体动力论方法的基础上发展适用于液固表面和纳米结构表面的修正方法，建立适合连续介质方法使用的速度与温度边界条件，促进微纳米流动与传热理论及计算方法的发展。

充分了解流固界面的动量与能量传递规律，对设计和开发微纳尺度下的物质和能量传递器件至关重要。本项目通过分子动力学方法研究了流体在具有不同性质和不同纳米结构的固体表面上的动量和能量传递规律。在动量传递方面，重点研究了流体在光滑石墨烯、碳纳米管阵列以及理想FCC晶体表面的速度滑移现象，分别讨论了滑移长度与湿润性、表面表面纳米结构以及剪切率之间的关系。在能量传递方面，重点研究了流固界面的温度跳跃与界面湿润性、流固原子间振动匹配度以及流场对界面温度跳跃的影响规律，分析了界面的速度滑移与温度跳跃间的关系。基于分子动力学模拟的结果以及动态湿润的分子动力论模型，得到了滑移长度与动态湿润阻力系数间的解析关系；基于分子动力学模拟的结果以及气体动力论方法，推导了纳米结构固体表面的表观滑移长度计算式；这些理论计算方法可直接与连续介质模拟方法相结合。同时，项目还分析了界面温度跳跃与液固原子间振动匹配度的关系，探讨了施加外电场和添加异质分子对界面温度跳跃的影响规律，从理论上分析了主动调控界面热阻的可行性。