高溫壁面潤濕性對氣層穩(wěn)定性及其壁面滑移性能的分子動力學(xué)研究

陳 程，盧 艷

(1.武漢科技大學(xué) 冶金裝備與控制技術(shù)重點實驗室，武漢 430000; 2.武漢科技大學(xué) 機械傳動與制造工程重點實驗室，武漢 430000)

1 引 言

隨著納米科技的運用范圍越來越廣，納米科技受到了越來越多的重視.由于近幾年來，國家提倡節(jié)能環(huán)保，低碳排放，在納米科技各方面的研究領(lǐng)域中，有眾多學(xué)者們納米科技運用到了微通道的流動減阻中，較小的阻力不僅能提高能源利用的效率，而且還能夠較少污染物的排放.就比如海上航行和管道運輸，特別是海上航運，在海上航行中，據(jù)不完全統(tǒng)計，世界上運輸船舶每年消耗的燃油大約為2億桶(約2.7億t)，二氧化碳排放量達12億t，約占全球排放量的6%左右.其中輪船為了克服航行中所受到的阻力，需要消耗大量的能源，就目前來說，研究學(xué)者們也有了許多的克服阻力的方法，比如：添加疏水涂層減阻[1-3]、過渡氣層減阻[4]、氣幕減阻[5-7]等.

近幾年來，學(xué)者們用分子動力學(xué)的方法以及在實驗論證的基礎(chǔ)上，驗證了微納米通道里的液體流動存在著不同程度的速度滑移現(xiàn)象[8-10]，并且，由于分子間作用力的緣故，使得流體在疏水壁面的滑移效果優(yōu)于親水壁面.徐超等[11]模擬了三維Couette流，研究了壁面溫度及壁面作用勢強弱對滑移速度的影響；曹炳陽等[12]模擬了液態(tài)氬在鉑納米通道內(nèi)的Couette流動，獲得了流體和通道表面之間浸潤性質(zhì)不同時的滑移現(xiàn)象；并且還發(fā)現(xiàn)，由于表面潤濕性的不同，其表面張力也會有所不一樣，當(dāng)液體流過其表面時，會使一部分氣體附著在固體壁面形成氣泡，通過改變表面粗糙度，會使氣泡融合成氣層，從而達到減阻的作用[13,14]；通過平板模型的減阻測試，發(fā)現(xiàn)氣膜是實現(xiàn)固體壁面減阻的主要因素[15,16].但在流動的過程中，氣體層會受到剪切力的作用，使得氣體層被破壞[17]，致使超疏水表面在水下的減阻效果隨著來流沖刷時間的增加會逐漸減小, 甚至?xí)霈F(xiàn)粗糙增阻的現(xiàn)象.同時, 隨氣膜尺寸增大, 其封存難度也隨之提高.胡海豹等[18]構(gòu)造親疏水相間表面能形成潤濕階躍, 產(chǎn)生約束三相接觸線移動的束縛力, 利于大尺度氣膜的水下穩(wěn)定封存.而通過快速沸騰技術(shù)，使用產(chǎn)生的蒸汽膜用來減阻，學(xué)者們對此的在一些特定領(lǐng)域的研究受到了一定的限制.

在我們所熟知的技術(shù)手段中，快速沸騰技術(shù)是一種快速生成蒸汽膜的方法.所謂快速沸騰[19]，是一種特殊的沸騰過程，在這種沸騰過程中，液體向蒸汽的相變非常迅速.其主要原理是將表面溫度迅速升高到液體沸點以上，使接近固體壁面的液體迅速汽化，推動液體，使液體上升，形成蒸汽膜.利用快速沸騰形成的蒸汽膜能夠?qū)崿F(xiàn)減阻功能[20-24]，因此快速沸騰減阻成為一種較為新型的減阻方法.快速沸騰產(chǎn)生的蒸汽膜會附著于固體表面，具有滑移效應(yīng)，類似于嵌入超疏水性壁面的空氣層.然而超疏水性壁面的減阻效果有限，且在水壓及水流沖刷作用下空氣層很快會消失.持續(xù)加熱物體可以在壁面處形成連續(xù)穩(wěn)定的蒸汽膜，減小摩擦阻力.雖然增加壁面溫度能夠使之形成穩(wěn)定的蒸汽層，但是由于壁面潤濕性能的不同以及剪切力的不同，蒸汽層也會在一些特定的環(huán)境遭到破壞.本文通過分子動力學(xué)的模擬方法，對壁面進行升溫以及改變壁面潤濕性能，探究流體流動，氣層的穩(wěn)定性能.

2 物理模型及模擬細節(jié)

本文采用三維分子動力學(xué)方法研究微通道內(nèi)納米流體的流動特性.整個模擬系統(tǒng)如圖1所示整個模擬系統(tǒng)的模擬體系分別為LX×LY×LZ=15 nm×3 nm×8 nm，在模擬系統(tǒng)中，整個模擬區(qū)域分為上、中、下三個區(qū)域，其中上為固體上壁面，為藍色(黃色)區(qū)域，即固體鉑原子(藍色代表親水，黃色代表疏水)，依次為固定層、加熱層、傳熱層.中間是液體氬區(qū)域，即紅色區(qū)域，其高度H=7.0 nm,最下面為固體下壁面，與上壁面一樣，依次為傳熱層、加熱層、固定層.上壁面與下壁面的高度為1.5 nm.模擬體系在x、y方向采取周期性邊界條件，z方向為固定邊界條件.固體壁面原子初始狀態(tài)按照面心立方晶格(FCC)結(jié)構(gòu)排列，同樣，流體原子初始狀態(tài)也按照面心立方晶格(FCC)結(jié)構(gòu)排列，系統(tǒng)初始溫度設(shè)為85 K，其流體飽和密度ρsat=1.401×103kg/m3.為此，為了模擬的準(zhǔn)確性，我們將流體密度設(shè)置為0.7ρsat.

原子與原子之間的相互作用采用Lennard-Jones(LJ)勢能模型，表達式為

(1)

式(1)中：r 為原子間的距離；流體氬原子之間的尺寸參數(shù)σ=3.3405 nm, 能量參數(shù)ε=1.67×10-23J;原子質(zhì)量M=39.948 g/mol，固體原子之間的相互作用也采用LJ勢能模型，σs=0.73σ=0.2475 nm,εs=50ε=8.35×10-20J.表1則顯示了各個原子之間的勢能參數(shù).

表1 粒子之間作用參數(shù)

模擬系統(tǒng)采用velocity-Verlet算法求解運動方程，時間步長設(shè)為1 fs.在整個模擬系統(tǒng)中，我們將整個模擬過程分為3個階段，第一階段為馳豫階段，在模擬過程中首先對整個系統(tǒng)施加正則系綜(NVT), 溫度設(shè)置為85 K，運行200000步，第二階段為加熱階段，我們我們將下壁面溫度設(shè)置為250 K,上壁溫設(shè)置為80 K, 流體原子采用微正則系綜(NVE)，運行300000步；第三階段，給流體施加一個x方向的力，其大小F=0.0001,運行1000000步.在整個模擬中將微通道的流體區(qū)域沿z方向分為80層，每層厚度為1.0 ?，待系統(tǒng)穩(wěn)定后每隔500步輸出一次數(shù)據(jù)，統(tǒng)計密度、速度等物理量.

3 結(jié)果與討論

3.1 潤濕性能對于液體密度的影響

圖2表示各種壁面流體原子分布圖，藍色代表親水的固體鉑原子，紅色代表液體氬原子，黃色代表疏水鉑原子.從圖(a)中觀察得知，當(dāng)壁面時純親水時，固液界面作用力大，傳熱效率高，系統(tǒng)在傳熱階段時，形成了一層蒸汽層，并且在流體流動時，壁面吸附一層流體原子，緊貼在壁面；當(dāng)流體流動時，由于壁面?zhèn)鳠岬脑?，氣層未被破壞；從圖(b)、(c)中觀察得知,在交替疏水壁面上可以明顯看出親疏水的分界面.但對于兩者不同屬性的交替潤濕表面而言，兩者上方氬膜氣層也有所不同，在初期，親水基底+疏水壁面上方能形成較為規(guī)則的氣層，而疏水基底+親水壁面上方形成不規(guī)則的氣層，并且在流體流動時，親水基底+疏水壁面上方氣膜能較為穩(wěn)定的存在，而疏水基底+親水壁面上方氣膜遭到破壞；從圖(d)中觀察得知，當(dāng)表面為純疏水表面時，分子間作用力減弱，傳熱效率降低，無法形成氣層.

3.2 潤濕性能對于液體密度分布的影響

圖3是微通道內(nèi)流體密度分布圖.其中圖(a)、(d)分別為純親水表面和純疏水表面密度分布圖，圖(b)、(c)分別為親水基底+疏水壁面和疏水基底+親水壁面密度分布圖.其橫坐標(biāo)為模擬區(qū)域在Z方向上的距離；縱坐標(biāo)為每層區(qū)域的流體數(shù)密度.從圖(a)、(b)、(c)可以看出，對于純親水表面以及交替潤濕表面，對于親水區(qū)域部分，由于分子間作用力的緣故，導(dǎo)致壁面上吸附了一層氬原子，從而我們可以觀察到，兩端區(qū)域的密度高于中間流體的密度；在中間區(qū)域，數(shù)密度曲線左側(cè)明顯低于右側(cè)，這是由于當(dāng)壁面加熱后，液態(tài)氬膜發(fā)生了快速沸騰，形成了一層“蒸汽層”，由于受到壁面的熱沖擊，流體在流動的過程中，氣層未曾被流體流動時產(chǎn)生的剪切力破壞.圖(d)顯示純疏水壁面上的數(shù)密度曲線，相比于純親水壁面和交替潤濕壁面，疏水壁面上，壁面與液體之間的分子間作用力低于其余三種表面，壁面上很難吸附氬原子，從數(shù)密度曲線也可以看出，疏水壁面靠近壁面的密度明顯低于其余三組表面.但在壁面加熱過程中，未能形成“蒸汽層”.

綜上所訴，由于壁面勢能的影響，交替潤濕表面以及純親水表面有著較高的傳熱效率，使得壁面形成氣層，并且在親水區(qū)域上，形成高密度的類固體層，故而靠近壁面流體數(shù)密度較大；對于疏水性表面，流體在通道壁面附近的平均密度降低，形成一個低密度層.

3.3 潤濕性能對于液體速度分布的影響

為了更好地顯示不同微通道內(nèi)流體的速度，清楚的分析不同微織構(gòu)周期下的速度分布情況，本文以速度擬合值為參考對象，圖(4)為微通道內(nèi)流體速度擬合曲線.從圖(3)中流體密度分布中得知：在純疏水表面上，在通道中部曲線震蕩較為平緩，兩端密度震蕩幅度較大，純疏水壁面速度呈拋物線形式；純親水壁面與親水基底+疏水壁面由于產(chǎn)生了氣層，靠近壁面區(qū)域密度接近于零，隨后液體密度增大，速度的起始點要高于其余的兩組壁面，但速度曲線趨勢呈現(xiàn)類似拋物線形式；對于疏水基底+親水組合壁面，上方形成不穩(wěn)定氣層，主流區(qū)域的速度小于純疏水表面.另一方面，4條曲線共同點在于：通道內(nèi)主流區(qū)流體原子距離較遠，主流區(qū)域的流體原子與壁面原子之間的作用力相對于近壁面原子來說要弱一些，這就導(dǎo)致了主流區(qū)域流體原子的速度要大于近壁面流體原子的速度.但是僅僅對于主流區(qū)域流體原子來說，純疏水壁面的流體原子的速度最快，這是由于流體原子與壁面的作用力最小，其次是疏水基底+親水壁面，而純親水壁面上相對分子間作用力要大于其余3組壁面，故而主流區(qū)域的流體原子速度最小.

3.4 速度滑移

圖5為微通道內(nèi)的速度滑移分布圖，四種曲線代表著四種壁面的滑移速度.對于四組壁面來說，其速度滑移的起始點有所不同，但是都產(chǎn)生了速度滑移.對于曲線d和曲線c(純疏水和疏水基底+親水)來說，兩種壁面的速度滑移有著相同的起始點，對于純疏水壁面來說，壁面與流體之間的作用力相對較少，使得壁面與流體之間有著較大的滑移速度；在疏水基底+親水壁面上，由于在加熱過程中未能形成有效的氣層，導(dǎo)致壁面與流體的滑移速度小于純疏水壁面；而在后兩組壁面上(純親水與親水基底+疏水壁面上)，兩種壁面在加熱的過程中形成了有效的氣體層，并且在流體流動的過程中氣層仍能穩(wěn)定存在.由于壁面上形成氣層的緣故，導(dǎo)致在壁面上產(chǎn)生滑移速度的位置逐漸遠離微織構(gòu)底部邊界，即這兩組壁面的速度起始點要高與純疏水壁面以及疏水基底+親水組合壁面.

綜上所述，在純親水壁面和親水+疏水的組合壁面上，通過壁面的加熱，使得接近壁面的液體率先蒸發(fā)，高溫壁面產(chǎn)生的蒸汽層阻隔了液體與壁面之間的接觸，而且在流體流動的過程中，“蒸汽層”的穩(wěn)定存在，使壁面的滑移速度得到增加；而在純疏水壁面和疏水壁面+親水組合壁面上方無法形成穩(wěn)定的氣層，導(dǎo)致滑移速度小于純親水壁面和親水基底+疏水組合壁面.

4 結(jié) 論

本文對微通道內(nèi)高溫壁面氣層的生成狀態(tài)以及對流體流動特性進行了分子動力學(xué)模擬，研究了微通道內(nèi)的分子分布形態(tài)、密度分布、速度分布和速度滑移.揭示了不同潤濕性能壁面對流體流動時滑移減阻的影響規(guī)律.主要結(jié)論如下：

(1)當(dāng)壁面為純疏水壁面時，由于壁面與流體之間的分子間作用較弱，導(dǎo)致壁面與流體之間傳熱效率較低，不能形成蒸汽層；當(dāng)壁面時疏水基底+親水組合壁面時，由于加入了親水區(qū)域，導(dǎo)致傳熱效率有所增加，在傳熱初期，能夠形成氣層，但當(dāng)流體流動時，氣層在受到流體剪切力的作用時，不能穩(wěn)定存在；當(dāng)壁面為純親水壁面和親水基底+疏水組合壁面時，壁面在傳熱初期能夠產(chǎn)生氣層，并且在流體流動時，氣層在兩組壁面上都能夠較為穩(wěn)定的存在，說明這兩組壁面對維持氣層穩(wěn)定性有著良好的效果.

(2)當(dāng)壁面時為純疏水壁面時，由于壁面對流體分子的作用力較弱，流體在近壁面處不存在明顯的密度振蕩；主流區(qū)域的密度較大，并且主流區(qū)域的速度以及滑移速度相對較大；對于疏水基底+親水組合壁面時，加大了壁面與流體的相互作用力，導(dǎo)致主流區(qū)域的速度以及滑移速度相對于純疏水壁面來說相對減少；對于純親水壁面和親水基底+疏水組合壁面來說，由于傳熱機理，壁面上方形成了穩(wěn)定的氣層，根據(jù)圖5中看出，速度起始點有所后移，由于存在氣層的緣故，速度起始值較大，即氣層的存在加大壁面滑移速度.