微通道中Poiseuille流动的分子动力学研究

微通道中的Poiseuille流动是一种典型的微尺度流动现象，它的研究在微电子机械系统（MEMS）等领域具有重要的应用价值。Poiseuille流动特指在平行平板间的流体，在压差作用下呈现出抛物线型的流动速度分布。由于微尺度下的流体动力学行为与宏观尺度有所不同，传统的流体动力学理论无法完全解释微尺度下的流动特性，因此需要借助分子动力学（Molecular Dynamics, MD）等更为微观的研究方法来深入理解。 本文主要针对微通道中Poiseuille流动的分子动力学特性进行研究，特别是氩流体在不同性质的壁面（亲水性和憎水性）之间流动的特性。为了实现这一研究目标，文中建立了外力作用下氩流体在平行平板间流动的模型，并基于该模型进行了模拟计算。 在模型中，氩流体被视为不可压缩流体，在周期边界条件下，利用L-J（Lennard-Jones）势函数描述氩粒子间的相互作用，并采用余弦脉冲力作为外力驱动流体流动。固体壁面粒子由Pt原子构成，通过对流体粒子和固壁粒子间作用势的调整，模拟了亲水性和憎水性壁面。在亲水性壁面条件下，α=1，β=1；在憎水性壁面条件下，α=0.14，β=0.1。 模拟结果表明，在憎水性壁面附近可以观察到显著的速度滑移和温度阶跃现象，而亲水性壁面附近的流动特性与N-S方程和能量方程的解析解更为吻合。速度滑移现象指的是流体在壁面附近的速度与壁面速度存在差异；温度阶跃现象指的是流体温度在壁面附近出现突变。这些现象在微尺度流体力学中非常重要，它们与流体的微观性质和壁面特性紧密相关。 在模拟计算中，外力产生的功转化为流体动能和热能两部分。为了维持流体温度的稳定，采用了特定的壁面边界处理方法，通过调节壁面上反射粒子的速度来平衡系统温度，这相当于在壁面上设置了一个恒温器。 对模拟中出现的碰撞模型进行了简化，认为固壁粒子和流体粒子均是球形，并且碰撞为完全弹性碰撞。壁面粒子保持不动，流体粒子以一定速度向壁面粒子运动，并将速度分解到X、Y方向，进而分析碰撞后的速度变化。 通过对流体速度分布和温度分布的统计分析，本研究探讨了亲水性和憎水性壁面对流体流动和传热特性的影响。研究发现，亲水性壁面由于传热性能较好，系统能量较低；而憎水性壁面则导致系统能量较高，这与亲水性壁面的高传热效率相符。 本文的研究成果对于微尺度流动问题提供了新的研究手段，特别是对MEMS器件中微通道内的流体流动具有指导意义，也有助于优化微通道设计，减少流体阻力，提高传热效率。此外，通过分子动力学模拟方法对微尺度流体力学问题的研究，为实际的微流体设备设计和微尺度流动问题的解决提供了理论依据。