流体边界层的分子动力学模拟

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当前,流体力学的应用已经遍及各个领域,在水利工程、飞行器外型设计、空气动力学、环境工程等诸多热门行业发挥着重大作用。计算流体力学是在计算机上进行的流体力学研究,主要依靠CFD软件。CFD的工作步骤中需要建立控制方程和设立边界条件。目前,国内外的研究工作主要使用非滑移边界条件。滑移被认为是不存在的。但近几年大量实验证实:流体分子在微观尺度上存在滑移。最近,流体的微观滑移现象已经引起广泛关注。本文首先介绍流体力学的原理及发展历史。其次,介绍流体边界层理论的研究进展。然后,利用郎之万分子动力学,系统研究无序边界表面单层流体的滑移现象。首次发现:随着无序强度的提高,流体分子在脱钉点附近会发生从弹性晶体运动到近晶运动,以及从近晶运动到塑性流动的转变。对于弱无序边界,流体分子在脱钉点附近呈弹性晶体运动;流体分子沿外加驱动力方向呈平行的槽状运动;流体分子的平均运动速度随外加驱动力线性增加,而且满足一定的标度关系,标度指数小于1。随着无序强度的提高,脱钉点附近,流体分子的运动呈现明显的近晶运动的特征。此时,尽管流体分子在外加驱动力方向仍呈平行的槽状运动,但槽在垂直于外加无驱动力方向已经有所扭曲,流体分子的平均运动速度仍随外加驱动力线性增加,而且标度关系依然成立,但标度指数大于1。当无序足够强时,脱钉点附近,流体分子的运动呈现明显的塑性流动的特征。此时的流体分子沿钉扎中心之间的间隙呈槽状运动,但槽的方向是不稳定的,并随时间发生变化,有的槽甚至垂直于外加驱动力方向;流体分子的平均运动速度随外加驱动力非线性增加,标度关系失效。另外还发现:随着边界吸引强度的提高,临界钉扎力Fc不断增加,并在运动近晶相向塑性流动相的过渡区陡然增加。此外,布拉格峰的平均强度随无序强度的提高而降低,并在弹性晶体向运动近晶以及从运动近晶向塑性流动的转变区陡然降低,但在近晶区峰强基本不变。最后,利用郎之万分子动力学,系统研究了周期性钉扎边界表面单层流体的滑移现象。发现:在弱钉扎强度下,脱钉点附近,流体分子呈塑性流动。随着钉扎强度的提高,脱钉点附近,流体分子会发生从弹性流动到近晶运动以及从近晶运动到塑性运动的转变。这与无序边界的情况相同。上述结果为研究边界层表面流体的滑移现象、流体边界层的运动规律以及湍流的特性提供重要的理论参考。
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