【摘要】：當(dāng)前,自然科學(xué)與技術(shù)的發(fā)展方向不斷向著宏觀尺度領(lǐng)域和微觀尺度領(lǐng)域拓展,在人類不斷探索了解未知外太空時(shí),對(duì)于微納尺度下的世界也逐漸引起了專家學(xué)者的密切關(guān)注。微納機(jī)電系統(tǒng)和微流體相關(guān)器件自20世紀(jì)末誕生以來(lái)已經(jīng)得到了迅速的發(fā)展,并且掀起了器件向微/納米尺度發(fā)展的熱潮。微納尺度氣體流動(dòng)的研究推動(dòng)了流體力學(xué)向微觀尺度發(fā)展的趨勢(shì),不同于常規(guī)尺度流動(dòng)力學(xué),當(dāng)尺寸不斷減小許多用于描述宏觀尺度流體的基礎(chǔ)理論難以對(duì)微納尺度下氣體流動(dòng)出現(xiàn)的現(xiàn)象進(jìn)行合理的表征。因此,開(kāi)展微納尺度下氣體流動(dòng)機(jī)理的研究將為相關(guān)基礎(chǔ)理論的完善和器件設(shè)計(jì)與生產(chǎn)提供重要的理論依據(jù)。本文借助分子動(dòng)力學(xué)方法研究了混合氣體在平行板納米通道中的流動(dòng)和邊界滑移特性,得出的結(jié)論可能能夠給予后續(xù)微納尺度氣體流動(dòng)規(guī)律的研究工作提供一定的借鑒意義。采用分子動(dòng)力學(xué)方法對(duì)氮氧混合氣體在孔寬大小為3.155~9.465 nm的平行壁納米孔隙中的Couette流進(jìn)行了研究。研究結(jié)果表明:在該模擬尺度內(nèi)當(dāng)模擬通道寬度一定的情況下,通道內(nèi)流體的剪切應(yīng)力和剪切應(yīng)變率呈線性關(guān)系,即流體內(nèi)部剪切粘性為定值,且隨著孔隙特征寬度的增加而增大。當(dāng)孔隙寬度達(dá)到臨界值7.8875 nm時(shí),孔隙特征尺寸對(duì)剪切粘性的影響逐漸減小。并且還發(fā)現(xiàn),當(dāng)平行壁通道寬度不斷的增大,氣固界面處的速度滑移逐漸減小,而當(dāng)通道寬度較小時(shí),滑移速度減小幅度很大;隨著孔寬的進(jìn)一步增大,滑移速度呈現(xiàn)近似線性的降低,但減小幅度明顯降低。此外,討論了氣-固耦合作用強(qiáng)度、氮氧混合氣體比例等影響因素對(duì)邊界滑移的影響,發(fā)現(xiàn)流-固耦合作用強(qiáng)度的增加會(huì)導(dǎo)致邊界處滑移速度的減小;隨著混合氣體中氮?dú)獗壤脑黾?孔隙中剪切粘性也隨之增大,該結(jié)果不同于宏觀系統(tǒng)中氧氣的粘性始終大于同溫度下氮?dú)獾恼承缘慕Y(jié)論,其主要原因是由于氮?dú)庠诩{米孔隙邊界更易發(fā)生“類固體”效應(yīng)。隨后,在原有氮氧混合氣體模型的基礎(chǔ)上,引入不同比例的二氧化碳?xì)怏w。模擬結(jié)果顯示:隨著體系中二氧化碳比例的不斷增加,混合氣體的滑移速度出現(xiàn)了增大的趨勢(shì)。并且當(dāng)二氧化碳的比例低于20%時(shí),混合氣體的速度沿通道寬度方向線性變化,而當(dāng)二氧化碳的比例增加到40%后,其速度運(yùn)動(dòng)曲線不再呈現(xiàn)單一的線性變化,其速度曲線由通道主流區(qū)和近壁面流動(dòng)區(qū)兩部分組成。在通道主流區(qū)內(nèi)混合氣體流動(dòng)速度沿孔寬方向依然為線性變化,而在近壁面區(qū)域則為非線性變化。同時(shí),以混合氣體中二氧化碳所占比例為20%為例,研究對(duì)比發(fā)現(xiàn),二氧化碳占比為20%的混合氣體與氮氧混合氣的滑移速度隨著通道寬度的增大出現(xiàn)了一致的變化趨勢(shì)。此外,對(duì)于不同的通道寬度,二氧化碳占比為20%的混合氣體在壁面處的滑移速度始終大于氮氧混合氣體的滑移速度,并且發(fā)現(xiàn),兩者的滑移速度之差受通道寬度變化的影響較弱。
【學(xué)位授予單位】：江蘇大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號(hào)】：O35

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本文編號(hào)：2517896