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微纳尺度流动和换热过程是芯片实验室、微纳电子技术和生医检测等微纳系统中关键的热物理过程,该方向的研究具有着重要的应用前景和学术价值。随着通道尺度减小,通道表面积对通道体积的比值急剧增大,多场耦合作用、尺度效应和表面效应愈加突出,研究纳米尺度内多场耦合下流体流动和传热特性日益受到人们的重视,已成为微纳尺度传热传质领域的一个前沿研究热点。为此,本文采用分子动力学方法研究了电场-离子耦合、压力场.电场-离子耦合、电场-压力场-温度场-离子耦合等多场耦合下纳米通道内流体流动和传热的输运行为。
本文建立了多场耦合下纳米通道内流体流动和传热的分子动力学模型,采用物理统计方法得出流体流动和传热的宏观输运行为(包括密度分布、速度分布、黏度、自扩散系数、热导率等),分析了表面电荷、电场强度、离子浓度、压力场和温度等对输运行为的影响,给出了近壁处水分子的速度滑移与表面电荷特性之间的关系;通道内溶液速度变化与电场强度之间的关系;压力场影响下速度轮廓的变化;溶液内离子浓度对溶液速度的影响;阐明了压力场强度对自扩散系数,黏度和热导率等宏观输运系数的影响;温度对宏观输运系数的影响。研究结果表明:
1.在电场驱动下,当通道无表面电荷时,水分子密度分布在通道中间较平缓,而在靠近壁面处其涨落明显;当表面电荷存在时,由于表面电荷与水分子相互吸引,近壁区内密度涨落幅度加大,通道中央密度值较壁面无电荷时小;电场对水分子在通道内垂直于壁面方向的密度分布影响不大。当溶液中加入离子后,与表面电荷极性相反的离子被吸附在壁面上,其密度峰值亦靠近壁面,与表面电荷极性相同的离子则被壁面排斥,其密度峰值处于通道中心区域。
2.在电场驱动下,当通道无表面电荷时,水分子在纳米通道内的速度分布与典型电渗流的塞状流轮廓一致,但由于热流的影响使得在通道中央的速度轮廓存在小幅振荡;当表面电荷为负时,近壁区的出现速度负滑移现象,且滑移速度随壁面带电荷量增大而增大,但当表面电荷为正时,近壁区出现正速度滑移;溶液内加入NaCI后,溶液中Na+在电场作用下朝电场负极运动,Cl-朝电场正极运动,由于Na+质量较小,其运动速率较Cl-大;随着电场强度的增大,水分子、Na+和Cr的运动速率皆将增大;当电场强度保持不变,增大溶液中离子浓度时,离子的运动速率同样增大。当压力场与电场耦合驱动时,通道内溶液的速度分布表现为电渗流塞状流与压力流抛物线流的矢量叠加形式;当压力值超过某一临界值后,近壁区的粒子会冲破壁面对其的吸附,表现为速度滑移。
3.在电场驱动下,当通道无表面电荷时,溶液的自扩散性能较无电场时明显降低,表明电场的存在削弱了分子的布朗运动,且随着电场强度增大,自扩散系数减小;溶液自扩散系数随壁面所带电荷的增加而增大,随离子浓度的增大而增大:在压力作用下,溶液的自扩散系数增大;随着温度的升高,溶液的自扩散系数也增加。
4.无论通道内是否存在电场作用或表面电荷是否存在,垂直于壁面方向上的溶液黏度分布都呈近壁区大,通道中央小的趋势;随着表面电荷数的增加,近壁区的黏度增大,而通道中心区域变化不明显;随电场强度的增大,由于电场作用削弱了分子布朗运动,溶液的黏度增大:随着离子浓度的增加,溶液密度增大,黏度也随之增大;黏度随着温度的增加而降低。
5.无论通道内是否存在电场作用或表面电荷是否存在,垂直于壁面方向上的溶液热导率分布都里近壁区大,通道中央小的趋势;随着电场强度的增大,分子布朗运动削弱,导致热导率减小;随着离子浓度的增加,热导率随之增人;温度的升高使得热导率增大。
由于针对纳米量级的测量手段尚不普及及成熟,故本文在微米级通道内进行了类比试验,以验证多场耦合下溶液的输运特性,通过将各个场因素引起的流动特性变化进行比较,发现实验所得结论与模拟结果趋势一致:电场是影响输运性质的重要因素;在存在离子的溶液中,溶液自身的特性是影响输运特性的内因,离子浓度越大,受电场强度影响越大,对输运特性的影响也就越大;压力、温度和壁面同样也是影响因素的重要组成部分。