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随着近十几年来微纳电子机械系统(MEMS/NEMS)和纳米技术的迅速发展,迫切需要了解微纳尺度条件下流体流动的规律。流动的速度滑移对于微米及亚微米尺度的气体流动和纳米尺度液体流动都有非常重要的影响。本文主要采用分子动力学方法研究了滑移现象及其对亚微米尺度气体流动和纳米尺度液体流动的影响规律及其机制。 基于对二维理想气体系统平衡态性质、非平衡动量输运性质和流动滑移边界条件的研究,建立了二维和三维理想气体流动系统特征物理量间的定量关系,将二维分子动力学(2DMD)方法应用于微尺度气体流动研究,使分子动力学模拟的单机计算尺度从纳米延伸至亚微米尺度。 获得了气体分子的切向动量协调系数在光滑固体表面的温度依赖性规律,分子动力学模拟结果表明切向动量协调系数随温度呈指数规律衰减,并揭示出这种依赖性源于气体分子在固体表面附近的“俘获—逃逸”行为。 指出速度滑移对亚微米尺度气体流动的影响取决于3个特征尺度,即粗糙度A、气体分子的平均自由程λ和流动系统的特征尺度H。即使在Knudsen数表征的滑移流动区(0.001<Kn<0.1),微尺度气体流动的边界条件仍可表现为:A/λ≈1时无滑移;A/λ<1时存在速度滑移;A/λ>1时为负滑移;并且,仅当A/λ<0.2时,气体流动的滑移长度可按Maxwell滑移模型计算。 对光滑纳米通道内液体流动的分子动力学模拟表明,流体和通道表面的浸润性是表征液体滑移现象和流动阻力的主要物理量,液体在疏水性固体表面存在明显的速度滑移。在此基础上,提出利用构造通道表面纳米结构来控制微纳流体流动的设想并进行了模拟验证。液体在三角纳米结构固体表面的分子动力学模拟表明,液体同固体壁面的势能作用比较小时纳米结构表面可以具有超疏水性,这种超疏水性会导致液体在纳米结构表面流动的速度滑移增大,流动阻力损失减小。