非對(duì)稱(chēng)通道內(nèi)親疏水結(jié)構(gòu)影響下的納米氣泡滑移效應(yīng)

戴雙武，盧艷，高友明，李揚(yáng)帆

非對(duì)稱(chēng)通道內(nèi)親疏水結(jié)構(gòu)影響下的納米氣泡滑移效應(yīng)

戴雙武，盧艷，高友明，李揚(yáng)帆

（武漢科技大學(xué) a.冶金裝備及其控制教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 b.武漢科技大學(xué)機(jī)械傳動(dòng)與制造工程湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430081）

研究非對(duì)稱(chēng)性通道中親疏水表面結(jié)構(gòu)影響下納米氣泡特征與邊界滑移之間的關(guān)系，以實(shí)現(xiàn)良好的流體減阻效果。采用二元體系分子動(dòng)力學(xué)方法，研究納米氣泡在通道流動(dòng)中產(chǎn)生的滑移減阻效應(yīng)。首先建立上下壁面非對(duì)稱(chēng)微通道模型，通過(guò)考慮微通道流動(dòng)傳熱過(guò)程，探究納米氣泡影響下的微通道界面速度滑移現(xiàn)象。保持親水下壁面高度以及上下壁面溫差不變的情況下，增加上壁面納米結(jié)構(gòu)高度，對(duì)通道中納米氣泡體積產(chǎn)生促進(jìn)作用。另外，當(dāng)上壁面為疏水壁面時(shí)，氣泡呈現(xiàn)為壁面形式，并且隨著體積增大，相對(duì)應(yīng)通道中上壁面滑移長(zhǎng)度增大；當(dāng)上壁面為親水壁面時(shí)，納米氣泡呈現(xiàn)為體相形式，并且隨著體積增大，對(duì)應(yīng)上壁面滑移長(zhǎng)度減小。非對(duì)稱(chēng)性通道內(nèi)，在上壁面結(jié)構(gòu)高度影響下，壁面形式的氣泡體積增大對(duì)通道內(nèi)減阻具有促進(jìn)作用，而體相形式的氣泡體積增大對(duì)通道內(nèi)減阻具有抑制作用。

微通道；溫度階躍；速度滑移；納米氣泡；滑移減阻；潤(rùn)濕性

近年來(lái)，隨著科技的發(fā)展，微納科學(xué)已經(jīng)應(yīng)用到了各個(gè)工程領(lǐng)域[1-4]。當(dāng)熱流體流過(guò)納米通道時(shí)，通道內(nèi)的能量傳遞和物質(zhì)運(yùn)輸都會(huì)在受限制的微小尺度空間內(nèi)進(jìn)行，因此納米通道的固液界面會(huì)產(chǎn)生與宏觀尺度不同的現(xiàn)象，宏觀尺度固液界面的理論不再適用。因?yàn)樵诤暧^尺度下，表面效應(yīng)對(duì)通道固液界面流體流動(dòng)性的影響較小，并且宏觀通道流體流動(dòng)性的研究都是基于無(wú)邊界滑移情況下進(jìn)行的，而微納尺度通道中，表面效應(yīng)則不可忽視，而且會(huì)影響到整個(gè)通道中流體的流動(dòng)性[5-7]。研究發(fā)現(xiàn)，由于表面效應(yīng)作用，流體流過(guò)微通道固體壁面時(shí)，會(huì)存在速度滑移[8]，且具有一定的界面速度滑移長(zhǎng)度[9]。Zhang等人[10-11]對(duì)納米通道中流體的研究發(fā)現(xiàn)，固體壁面的潤(rùn)濕性會(huì)影響流體運(yùn)動(dòng)，并發(fā)現(xiàn)固液相互作用力較差時(shí)，界面會(huì)出現(xiàn)比較明顯的速度滑移。Voronov等[12]利用分子動(dòng)力學(xué)方法研究納米通道中的流體行為時(shí)，發(fā)現(xiàn)固液界面的滑移長(zhǎng)度與固體表面的潤(rùn)濕性相關(guān)，對(duì)于潤(rùn)濕性較差的固體表面，滑移長(zhǎng)度會(huì)隨潤(rùn)濕性的降低而增加。曹炳陽(yáng)等人[13]通過(guò)研究通道中流體滑移現(xiàn)象發(fā)現(xiàn)，固體壁面的表面勢(shì)能越強(qiáng)，界面速度滑移長(zhǎng)度越小。表面潤(rùn)濕性不同，固液界面可能發(fā)生負(fù)滑移、無(wú)滑移以及正滑移等不同現(xiàn)象。另外，固體表面粗糙度大小也能影響固液之間的潤(rùn)濕性變化[14-15]。Pit等[16]研究發(fā)現(xiàn)，固體表面粗糙度能夠影響固體表面的速度滑移。Choi等[17]在研究牛頓流體的減阻機(jī)理時(shí)發(fā)現(xiàn)，固體表面粗糙度可以使界面滑移長(zhǎng)度增大，結(jié)構(gòu)變化會(huì)影響粗糙度的變化，進(jìn)而影響滑移長(zhǎng)度。張程賓等人[18]利用仿真方法對(duì)比光滑以及粗糙固體表面流體的流動(dòng)發(fā)現(xiàn)，粗糙結(jié)構(gòu)的存在限制了流體的運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)致固液界面速度滑移長(zhǎng)度減小。Ou等人[19]通過(guò)合理設(shè)計(jì)疏水固體表面的結(jié)構(gòu)尺寸來(lái)探討固體表面的減阻性能時(shí)發(fā)現(xiàn)，對(duì)比光滑表面，疏水表面微結(jié)構(gòu)的存在，使得界面速度滑移長(zhǎng)度較大。Rahmatipour等[20]利用分子動(dòng)力學(xué)方法對(duì)粗糙通道進(jìn)行研究時(shí)發(fā)現(xiàn)，納米結(jié)構(gòu)高度越高，壁面滑移長(zhǎng)度越長(zhǎng)。其次，研究表明，當(dāng)流體流過(guò)粗糙固體表面時(shí)，將會(huì)有氣體滯留在微織構(gòu)內(nèi)部，并在其表面形成穩(wěn)定的氣泡，從而使固液之間產(chǎn)生滑移減阻效應(yīng)[21-22]。Elias等人[23-24]在研究通道中流體的運(yùn)動(dòng)時(shí)發(fā)現(xiàn)，氣泡的產(chǎn)生是實(shí)現(xiàn)通道固體表面滑移減阻的關(guān)鍵因素。

溫度也是影響納米通道中氣泡成核的因素之一[25]。Lin等人[26-27]通過(guò)微通道中加熱絲加熱流體時(shí)發(fā)現(xiàn)，只有當(dāng)微通道中液體溫度接近臨界溫度時(shí)，才會(huì)有熱氣泡產(chǎn)生。Yang等[28]研究結(jié)果表明，升高疏水表面的溫度，在表面粗糙的地方更易形成納米氣泡。張雪花等[29]在研究固體表面上已經(jīng)形成的納米氣泡時(shí)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)液體溫度升高到某個(gè)定值時(shí)，納米氣泡體積達(dá)到最大，然后隨溫度的升高而減小。劉樺等[30]發(fā)現(xiàn)，固體表面溫度影響了通道中流體滑移減阻。

綜上所述，關(guān)于納米通道中流體的滑移減阻已有大量研究，大部分是考慮納米氣泡影響下對(duì)稱(chēng)性管道中的流體運(yùn)動(dòng)，且關(guān)于溫度對(duì)納米氣泡的研究也都處于實(shí)驗(yàn)階段。然而，非對(duì)稱(chēng)性管道的應(yīng)用卻十分廣泛[31-32]，因此研究非對(duì)稱(chēng)通道內(nèi)納米氣泡的滑移減阻效應(yīng)具有重要意義。目前，通過(guò)調(diào)整非對(duì)稱(chēng)通道的微結(jié)構(gòu)來(lái)改變通道表面粗糙度和流體溫度，從而影響納米氣泡特性的通道減阻理論研究并不完善。本文首先采用分子動(dòng)力學(xué)模型，主要研究了非對(duì)稱(chēng)性通道內(nèi)上壁面結(jié)構(gòu)高度影響下納米氣泡與流體流動(dòng)之間的關(guān)系，通過(guò)控制上下壁面溫差、潤(rùn)濕性，并保持下壁面結(jié)構(gòu)高度不變，探討了改變疏水或者親水上壁面結(jié)構(gòu)高度，通道中納米氣泡體積的變化情況。然后，進(jìn)一步研究了納米氣泡體積與通道中界面滑移長(zhǎng)度之間的關(guān)系。

1 微通道流體傳熱仿真模型

本文采用分子動(dòng)力學(xué)（MD）模擬方法，利用開(kāi)源程序LAMMPS仿真軟件來(lái)研究納米通道內(nèi)納米氣泡成核體積與壁面能量傳遞之間的關(guān)系。非對(duì)稱(chēng)模型通道如圖1所示。

圖1 非對(duì)稱(chēng)通道模型

圖1a為非對(duì)稱(chēng)納米通道三視圖，模擬微通道在、和方向上的尺寸分別為9、2.6、6 nm。二維模型（圖1b）中，上壁面藍(lán)色粒子為疏水性鉑原子，下壁面紅色粒子為親水性鉑原子，中間黃色粒子為流體氬原子。流體氬原子被限制在兩個(gè)平行的鉑固體壁面之間，固體和液體原子的初始狀態(tài)都是面心立方體FCC晶格排列（固體粒子的晶格常數(shù)為0.392 nm，流體粒子的晶格常數(shù)為0.543 nm）。為了提高模型的真實(shí)性和保持系統(tǒng)的穩(wěn)定性，和方向設(shè)為周期性邊界，方向設(shè)為固定邊界。

圖1b為非對(duì)稱(chēng)通道模型的正視圖，固體壁面分為內(nèi)外兩層，外層被固定，以保持系統(tǒng)的穩(wěn)定性（壁面外兩層原子標(biāo)記為固定層），內(nèi)層為浴熱層（下壁面內(nèi)兩層原子為高溫浴熱層，上壁面內(nèi)兩層原子為低溫浴熱層）。上壁面包括上壁面固定層、低溫浴熱層、結(jié)構(gòu)，定義為top；下壁面包括下壁面固定層、高溫浴熱層、結(jié)構(gòu)，定義為down。下壁面結(jié)構(gòu)高度定義為down，上壁面結(jié)構(gòu)高度定義為top。本文通過(guò)改變親疏水壁面結(jié)構(gòu)高度參數(shù)（top）來(lái)展開(kāi)通道減阻研究。另外，液體由2100個(gè)氬原子組成，上下固體壁面大約2800個(gè)鉑原子。Lennard-Jones（LJ）勢(shì)能描述了粒子之間的相互作用力，見(jiàn)式(1)。

設(shè)置勢(shì)函數(shù)的截止距離=0.85 nm，仿真系統(tǒng)的時(shí)間步長(zhǎng)為0.01 ps。首先采用速度校定法將整個(gè)系統(tǒng)NVE馳豫，經(jīng)過(guò)2 ps達(dá)到平衡狀態(tài)。接著對(duì)系統(tǒng)浴熱，用NVT（粒子數(shù)恒定，體積、溫度保持不變）對(duì)上、下固體壁面進(jìn)行控溫，將上壁面溫度top控制在86 K，下壁面溫度down控制在100 K，同時(shí)對(duì)液體施加一個(gè)方向的恒定驅(qū)動(dòng)力（驅(qū)=0.001 eV/nm），并將系統(tǒng)加熱時(shí)間由2 ps延長(zhǎng)到9 ps，以達(dá)到平衡狀態(tài)。最后對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行切片，并統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。

表1 原子之間的相互作用力勢(shì)能參數(shù)及其作用距離[34]

Tab.1 Potential parameters and interaction distancesof interaction force between atoms[34]

2 疏水壁面結(jié)構(gòu)高度影響下的納米氣泡

2.1 納米氣泡成核

保持down=1 nm、top=86 K、down=100 K不變，改變疏水上壁面的結(jié)構(gòu)高度（0～0.8 nm）時(shí)，上壁面納米氣泡的成核規(guī)律如圖2所示?？梢钥闯?，上壁面的高度由0 nm增大到0.8 nm時(shí)，近下壁面附近的流體被吸附，氣泡在近上壁面區(qū)域出現(xiàn)，并且上壁面附近流體中納米氣泡的體積越來(lái)越大。這是因?yàn)槭杷员砻娼Y(jié)構(gòu)高度增加，壁面疏水性增強(qiáng)，使得上壁面的氣泡成核體積增大。

2.2 通道流體密度分布

改變結(jié)構(gòu)高度，對(duì)流體中氣泡的形成有明顯影響，致使流體密度的分布有差異。為了研究通道中僅疏水上壁面結(jié)構(gòu)高度變化時(shí)，通道中納米氣泡與流體密度之間的關(guān)系，將模型進(jìn)行切層，統(tǒng)計(jì)密度。待系統(tǒng)粒子分布均勻后，再對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行切層處理，并將模型分為70層。

圖2 上壁面結(jié)構(gòu)高度影響下的氣泡成核

通道中流體密度沿方向的分布如圖3所示。由于體系中液體與固體粒子之間的勢(shì)能作用域?yàn)榧{米級(jí)別，因此固體壁面只影響近壁面流體區(qū)域的密度分布特性。由圖3可知，由于固體表面效應(yīng)，近壁面流體區(qū)域密度分布出現(xiàn)振蕩現(xiàn)象。在通道中心主流區(qū)域，流體粒子受固體粒子的影響較小，密度幾乎不發(fā)生變化。由于上下壁面的潤(rùn)濕性不同，以及上下壁面結(jié)構(gòu)不對(duì)稱(chēng)，所以通道內(nèi)流體密度呈不對(duì)稱(chēng)分布。當(dāng)down=1 nm、top=86 K、down=100 K時(shí)，通過(guò)改變上壁面的結(jié)構(gòu)高度，來(lái)分析流體密度的分布規(guī)律。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，上壁面結(jié)構(gòu)高度增加，近下壁面區(qū)域流體分布基本不變，近上壁面區(qū)域流體密度呈近乎直線的下降趨勢(shì)。這是由于增加上壁面結(jié)構(gòu)高度，近上壁面區(qū)域流體中納米氣泡成核體積變大。

圖3 疏水上壁面結(jié)構(gòu)高度影響下流體沿z方向的密度分布

2.3 疏水界面氣泡影響下微通道流體的流動(dòng)性

通道內(nèi)壁結(jié)構(gòu)高度變化會(huì)影響流體中納米氣泡的生成，導(dǎo)致流體密度分布發(fā)生變化，從而影響通道中流體的流動(dòng)傳熱。為了研究?jī)H通道上壁面結(jié)構(gòu)高度變化時(shí)，納米氣泡體積與流體速度分布之間的關(guān)系，取3組數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。當(dāng)top=86 K、down=100 K、down=1 nm時(shí)，改變上壁面結(jié)構(gòu)高度，通道中流體的速度分布如圖4所示。結(jié)果顯示，在通道的中心區(qū)域，流體速度整體呈不對(duì)稱(chēng)分布。在上壁面結(jié)構(gòu)高度變化影響下，近上下壁面區(qū)域的流體速度、流體平均速度和納米氣泡體積見(jiàn)表2?？梢苑治龅贸觯S著上壁面結(jié)構(gòu)高度的增加，上壁面納米氣泡體積變大，近上下壁面的流體速度正向增大，通道流體平均速度變大。這是由于上壁面流體中氣泡成核體積增大，減小了下壁面固液接觸面積，使得流體與固體之間的運(yùn)動(dòng)阻力降低。

圖4 納米氣泡影響下流體沿z方向的速度分布

表2 不同疏水上壁面高度影響下近上下壁面區(qū)域流體速度與板面的速度差、流體平均速度大小和納米氣泡體積

Tab.2 Difference between the velocity of the fluid near the upper and lower walls and the velocity of the platesurface, the average velocity of the fluid and the volume of the nanobubbles on different height of drain upper wall

2.4 氣泡影響下流體溫度分布

在恒定外力驅(qū)動(dòng)下，流體在納米通道中流動(dòng)時(shí)，流體粒子之間、流體粒子與粗糙固體表面之間都會(huì)存在摩擦，致使流體溫度變化，進(jìn)而影響納米氣泡的變化。為了討論改變疏水上壁面結(jié)構(gòu)高度變化時(shí)，納米氣泡體積與流體溫度分布之間的關(guān)系，采用類(lèi)似的模型處理方式，選取具有代表性的幾組數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。當(dāng)top=86 K、down=100 K、down=1 nm時(shí)，改變上壁面結(jié)構(gòu)高度，流體溫度的分布狀況如圖5所示。可以看到，增加上壁面結(jié)構(gòu)高度，通道中流體溫度的平均水平下降。在上下壁面溫度以及下壁面結(jié)構(gòu)高度不變時(shí)，改變上壁面結(jié)構(gòu)高度，通道中近上下壁面的流體溫差、平均流體溫度和納米氣泡體積見(jiàn)表3。結(jié)合表3與圖5分析可以得到，隨著上壁面結(jié)構(gòu)高度的增加，上壁面氣泡體積增大，對(duì)應(yīng)近上下壁面流體溫差以及流體平均溫度都呈正向減小的趨勢(shì)。其原因是，疏水上壁面結(jié)構(gòu)高度增加，一方面促進(jìn)了通道中的傳熱，流體溫度降低；另一方面，增大了壁面疏水性，壁面氣泡體積增大。

圖5 納米氣泡影響下流體沿z方向的溫度分布

表3 不同疏水上壁面高度影響下近上下壁面流體溫度差、流體平均溫度、納米氣泡的體積

Tab.3 Fluid temperature difference near the upper and lower walls, average fluid temperature, volume of nanobubbles on different height of drain upper wall

3 親水上壁面結(jié)構(gòu)高度影響下的納米氣泡

3.1 上壁面結(jié)構(gòu)高度對(duì)氣泡成核影響

模擬中，模型處理與第2節(jié)一樣，僅將上壁面的疏水性鉑壁面換為親水性鉑壁面。將模型運(yùn)行至系統(tǒng)能量平衡后，輸出并記錄仿真結(jié)果。在top=86 K、down=100 K、down=1 nm下，改變親水上壁面結(jié)構(gòu)高度時(shí)，微通道流體中納米氣泡的成核規(guī)律如圖6所示。從圖6中可以看出，top為0、0.2、0.4、0.6、0.8 nm時(shí)，氣泡成核出現(xiàn)在微通道主流區(qū)域，并且隨著上壁面結(jié)構(gòu)高度的增加，通道流體中納米氣泡體積越來(lái)越大。這是由于上壁面的結(jié)構(gòu)高度增加，使得壁面對(duì)流體粒子的吸引面積增大，通道中央流體出現(xiàn)密度不均勻的現(xiàn)象越來(lái)越明顯，因而氣泡越來(lái)越大。

3.2 氣泡影響下通道流體密度分布

通過(guò)在模型方向施加恒定力，保持流體運(yùn)動(dòng)，同時(shí)改變上壁面結(jié)構(gòu)高度，通道中氣泡的生成就會(huì)發(fā)生變化，那么通道中粒子分布也會(huì)發(fā)生改變。為了研究?jī)H親水上壁面結(jié)構(gòu)高度變化時(shí)，通道中氣泡與流體密度之間的關(guān)系，將模型進(jìn)行切層，統(tǒng)計(jì)密度，待系統(tǒng)粒子分布均勻后，再對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行切層處理。當(dāng)top=86 K、down=100 K、down=1 nm時(shí)，改變上壁面結(jié)構(gòu)高度，通道中流體密度的分布如圖7所示?？梢钥闯?，當(dāng)上壁面為親水壁面時(shí)，近壁面區(qū)域流體密度同樣存在震蕩現(xiàn)象，通道中央出現(xiàn)密度減小的現(xiàn)象。上下壁面的結(jié)構(gòu)不對(duì)稱(chēng)，使得通道流體密度分布不對(duì)稱(chēng)。上壁面高度越高時(shí)，相對(duì)應(yīng)近上壁面區(qū)域流體密度波動(dòng)越明顯。這是由于親水上壁面結(jié)構(gòu)高度增加，增大了近上壁面區(qū)域流體與親水鉑結(jié)構(gòu)之間的接觸面積。另外，上壁面結(jié)構(gòu)較高的通道內(nèi)，通道中央流體密度大幅度減小。這是因?yàn)樯媳诿娼Y(jié)構(gòu)高度增加，通道中央氣泡的成核體積變大。

圖6 親水上壁面結(jié)構(gòu)高度變化影響下的納米氣泡

圖7 納米氣泡影響下的流體沿z方向的密度分布

3.3 氣泡影響下通道流體的流動(dòng)性

當(dāng)氣泡形成形式發(fā)生改變時(shí)，流體密度分布發(fā)生突變，粒子間接觸形式發(fā)生改變，通道中的動(dòng)量傳遞也會(huì)發(fā)生變化。在top=86 K、down=100 K、down=1 nm時(shí)，改變親水上壁面結(jié)構(gòu)高度，通道中的流體速度分布如圖8所示?？梢钥吹?，速度整體呈不對(duì)稱(chēng)分布，并且上壁面高度增加，通道中流體平均速度降低。這是由于親水上壁面結(jié)構(gòu)高度增加，增大了固體壁面對(duì)流體粒子的吸附能力，干擾了流體運(yùn)動(dòng)。當(dāng)上下壁面溫差以及下壁面納米結(jié)構(gòu)高度不變時(shí)，在上壁面結(jié)構(gòu)高度變化的影響下，近上下壁面區(qū)域的流體速度、通道流體平均速度和納米氣泡體積見(jiàn)表4?？梢钥闯觯S著上壁面結(jié)構(gòu)高度的增加，通道中央納米氣泡體積不斷變大，近上下壁面區(qū)域流體速度正向減小，流體平均速度也不斷變小。這是由于通道流體中納米氣泡的成核體積增大，阻礙了流體流動(dòng)所致。

圖8 納米結(jié)構(gòu)高度影響下流體沿z方向的速度分布

3.4 氣泡影響下通道溫度分布

流體的密度分布以及粒子間的動(dòng)量傳遞發(fā)生變化，流體與流體的黏性摩擦就會(huì)發(fā)生改變，通道中流體溫度也會(huì)發(fā)生變化。當(dāng)top=86 K、down=100 K、down=1 nm時(shí)，改變上壁面結(jié)構(gòu)高度，流體溫度的分布狀況如圖9所示?？梢钥吹剑黾由媳诿娼Y(jié)構(gòu)高度，通道中流體的平均溫度下降。這是因?yàn)楸诿娼Y(jié)構(gòu)高度增加，流體粒子與固體壁面的接觸面積增加，傳熱效率增大。在上下壁面溫度以及下壁面結(jié)構(gòu)高度不變時(shí)，改變上壁面結(jié)構(gòu)高度，通道中近上下壁面的流體溫差、流體平均溫度和納米氣泡體積見(jiàn)表5。結(jié)合表5與圖9分析可得，隨著上壁面納米結(jié)構(gòu)高度的增加，通道流體中納米氣泡體積增大，對(duì)應(yīng)近上下壁面流體溫差及流體平均溫度都呈正向減小趨勢(shì)。這是因?yàn)橛H水上壁面結(jié)構(gòu)高增加，壁面的潤(rùn)濕性增大，通道中氣泡的成核體積增大。同時(shí)，結(jié)構(gòu)高度增加，流體粒子的吸附面積增大，通道中界面的傳熱效率提高。

表4 不同親水上壁面高度影響下近上下壁面流體速度與板面的速度差、流體平均速度大小和納米氣泡體積

Tab.4 Difference between the velocity of the fluid near the upper and lower walls and the velocity of plate surface, average fluid velocity and the volume of the nanobubble on different hydrophilic upper wall height

圖9 上壁面結(jié)構(gòu)高度影響下流體沿z方向的溫度分布

表5 不同親水上壁面高度影響下近上下壁面流體溫度差、流體平均溫度、納米氣泡體積

Tab.5 Relationship between fluid temperature difference near the upper and lower walls, the average fluid temperature, and the volume of the nanobubble on different hydrophilic upper wall height

4 氣泡影響下流體中滑移

改變通道中結(jié)構(gòu)高度，納米氣泡體積大小和流體密度、速度、溫度分布就會(huì)發(fā)生變化，界面能量傳導(dǎo)也會(huì)發(fā)生變化。對(duì)于疏水表面氣泡影響下滑移長(zhǎng)度與表面結(jié)構(gòu)粗糙度的關(guān)系，本文對(duì)比了文獻(xiàn)[35]的結(jié)果（如圖10所示），實(shí)驗(yàn)與仿真所得結(jié)果的變化規(guī)律一致，但存在差異。這是由于本文仿真通道中固液界面?zhèn)鳠岬拇嬖冢约拔墨I(xiàn)采用的表面材料等不同。

為了探究親、疏水上壁面結(jié)構(gòu)高度變化影響下，通道中納米氣泡體積與界面速度滑移之間的關(guān)系，將所有數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，并按照式(2)計(jì)算速度滑移長(zhǎng)度。

式中：Δv為近固體壁下的液體速度；為流體在固液界面下的速度梯度。

當(dāng)top=86 K、down=100 K、down=1 nm時(shí)，改變下壁面結(jié)構(gòu)高度，通道中納米氣泡體積與上下壁面速度滑移之間的關(guān)系如圖11所示。由圖11可知，保持下壁面結(jié)構(gòu)高度不變，當(dāng)上壁面為疏水壁面時(shí)，增加上壁面結(jié)構(gòu)高度，上壁面附近流體中氣泡的體積增大，上壁面的速度滑移長(zhǎng)度增大。這是由于壁面納米氣泡的存在，降低了上壁面固液之間的接觸面積，動(dòng)量傳遞效率提高。當(dāng)上壁面為親水壁面時(shí)，增加上壁面結(jié)構(gòu)高度，上壁面速度滑移的長(zhǎng)度減小。這是因?yàn)橥ǖ乐醒爰{米體積越大，對(duì)通道中流體流動(dòng)的阻礙越強(qiáng)。

圖11 不同壁面結(jié)構(gòu)高度影響下氣泡體積與速度滑移的關(guān)系

5 結(jié)論

本文使用MD模擬研究了非對(duì)稱(chēng)納米通道內(nèi)，上壁面為親、疏水壁面影響下納米氣泡成核體積的大小，然后進(jìn)一步探索了通道中納米氣泡與界面滑移行為之間的關(guān)系，得出以下結(jié)論：

1）非對(duì)稱(chēng)通道中，當(dāng)保持下壁面結(jié)構(gòu)高度以及上下壁面溫差不變時(shí)，增加上壁面結(jié)構(gòu)高度，通道中流體的平均溫度下降，納米氣泡的體積增大。

2）非對(duì)稱(chēng)通道內(nèi)，當(dāng)保持下壁面結(jié)構(gòu)高度以及上下壁面溫差不變，上壁面為疏水壁面時(shí)，納米氣泡呈壁面形式，且疏水壁面附近納米氣泡體積的增大，對(duì)應(yīng)上壁面的速度滑移長(zhǎng)度正向增大，而下壁面的速度滑移長(zhǎng)度不變，通道中流體運(yùn)動(dòng)阻力變小。

3）非對(duì)稱(chēng)通道內(nèi)，當(dāng)保持下壁面結(jié)構(gòu)高度以及上下壁面溫差不變，上壁面為親水壁面時(shí)，納米氣泡呈體相形式，通道中納米氣泡體積增大，上壁面的速度滑移長(zhǎng)度減小，而下壁面的速度滑移長(zhǎng)度不變，通道中流體運(yùn)動(dòng)阻力增大。

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Slip Effect of Nanobubbles under the Influence of Hydrophilic and Hydrophobic Structures in Asymmetric Channels

,,,

(a. Key Laboratory of Metallurgical Equipment and Control Technology of Ministry of Education, b. Key Laboratory of Mechanical Transmission and Manufacturing Engineering, Wuhan University of Science and Technology, Wuhan 430081, China)

The purpose of this paper is to achieve a good fluid drag reduction effect by studying the relationship between the characteristics of nanobubbles and boundary slip under the influence of hydrophilic and hydrophobic surface structures in asymmetric channels. In this paper, the binary system molecular dynamics method is used to study the slip drag reduction effect of nanobubbles flowing in the channel. Firstly, the asymmetric microchannel model on the upper and lower walls is established, and the microchannel interface velocity slip phenomenon under the influence of nanobubbles is explored by considering the flow and heat transfer process of the microchannel. The simulation results show that when keeping the height of the hydrophilic lower wall and the temperature difference between the upper and lower walls unchanged, the increase in the height of the nanostructures on the upper wall promotes the volume increase of nanobubbles in the channel; in addition, when the upper wall is a hydrophobic wall, the nanobubbles appear in the form of a wall surface. As the volume increases, the slip length of the upper wall in the corresponding channel increases; when the upper wall is a hydrophilic wall, the nanobubbles are in bulk form, and as the volume increases, the corresponding upper wall’s slip length is reduced. In an asymmetrical channel, under the influence of the height of the upper wall structure, the increase of the nanobubble volume in the form of a wall surface promotes the drag reduction in the channel, while the increase of the nanobubble volume in the bulk form inhibits the drag reduction in the channel. Therefore, the research results in this paper provide a theoretical basis for exploring the application of nanobubble engineering in drag reduction.

microchannel; temperature step; velocity slip; nanobubbles; slip drag reduction; wettability

TH117

A

1001-3660(2022)02-0202-09

10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2022.02.019

2021-03-16；

2021-07-05

2021-03-16；

2021-07-05

國(guó)家自然科學(xué)基金（51875417，51975425）

The National Natural Science Foundation of China (51875417, 51975425)

戴雙武（1995—），男，碩士研究生，主要研究方向?yàn)槟Σ翆W(xué)理論。

DAI Shuang-wu (1995—), Male, Postgraduate, Research focus: tribological theories.

盧艷（1984—），女，博士，副教授，主要研究方向?yàn)楸砻婺Σ翆W(xué)理論。

LU Yan (1984—), Female, Doctor, Associate professor, Research focus: surface tribology theory.

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