[发明专利]通过模拟模型研究纳米流体在纳米通道内流动行为的方法

摘要

本发明公开了一种通过模拟模型研究纳米流体在纳米通道内流动行为的方法，包括步骤：1.构建模拟模型；2.选择势函数；3.设置模型的参数；4.平衡模型；5.更改控温命令；6.纳米颗粒流动；7.统计流体流速；8.计算有效粘度；9.稳定流动并计算有效粘度。该方法用Lammps软件模拟构建了纳米流体在两个平行铜板间流动的模型，通过改变纳米颗粒体积分数、温度以及尺寸，统计出纳米流体的流速并计算在该纳米通道内的有效粘度。由于纳米流体纳米尺度的影响，流体运动受表面力的控制，纳米粒子的加入和分子间效应使得纳米流体不能满足连续介质假说。因此，本发明利用分子动力学作为在纳米层次非常有效的方法研究纳米颗粒的流动性质具有说服力。

主权项

1.一种通过模拟模型研究纳米流体在纳米通道内流动行为的方法，其特征在于，包括：步骤1.构建模拟模型：采用分子动力学软件构建包含上、下平行壁面，并在上、下平行壁面之间设置液体氩和在所述液体氩内设置纳米颗粒的纳米流体的模拟模型；步骤2.选择势函数：用Lennard‑Jones势函数计算所述模拟模型中各原子之间的相互作用，该Lennard‑Jones势函数如下：不同原子之间的σ和ε的值根据Lorentz Berthelot混合规则计算，公式如下：上式(1)、(2)和(3)中，r_ij为原子i和原子j的距离，σ和ε分别为原子之间的作用范围与作用强度；步骤3.设置模拟模型的参数：按Lennard‑Jones势函数的参数设置所述模型的各参数为：σ_Cu‑Cu为0.2338nm；ε_Cu‑Cu为6.563×10^‑20J；σ_Ar‑Ar为0.3405nm；ε_Ar‑Ar为1.67×10^‑21J；σ_Cu‑Ar为0.2872nm；ε_Cu‑Ar为1.041×10^‑20J；步骤4.平衡模型：在分子动力学软件中使用NVT系综对所述模拟模型进行平衡，每个时间步长为2fs，平衡时长为1200ps；步骤5.更改控温命令：在分子动力学软件中移除NVT命令，通过液体氩原子z方向的速度计算温度，分子动力学中计算温度的公式如下：KE＝dim/2k_BNT   (4)上式(4)中，KE为所计算原子组的总动能；dim为模拟的维数；k_B为玻尔兹曼常数，N为所计算原子组中的原子数；T为温度；步骤6.纳米流体流动：对模拟模型中每个液体氩原子施加一个y方向的力，使液体氩向y方向移动；步骤7.统计流体流速：将模拟模型沿z轴分成110层，统计每一层氩原子y方向的分速度并计算平均值，每一时间步输出一次该时间步每层氩原子的平均速度；步骤8.计算有效粘度：统计出每一层氩原子y方向的流动速度，根据以下公式计算有效粘度为：上式(5)、(6)中，η为有效粘度；dv_y/dz为纳米流体沿z方向的剪切速率；τ_zy为zy平面的剪切应力；F_y为作用在纳米流体y方向的力；A为液体氩与壁面的接触面积；步骤9.稳定流动并计算有效粘度：当整个模拟模型内的纳米流体速度波动收敛时，确定纳米流体流动趋于稳定，根据上式(5)和(6)计算并得出有效粘度。