高温壁面润湿性对气层稳定性及其壁面滑移性能的分子动力学研究

陈 程，卢 艳

(1.武汉科技大学 冶金装备与控制技术重点实验室，武汉 430000; 2.武汉科技大学 机械传动与制造工程重点实验室，武汉 430000)

1 引 言

随着纳米科技的运用范围越来越广，纳米科技受到了越来越多的重视.由于近几年来，国家提倡节能环保，低碳排放，在纳米科技各方面的研究领域中，有众多学者们纳米科技运用到了微通道的流动减阻中，较小的阻力不仅能提高能源利用的效率，而且还能够较少污染物的排放.就比如海上航行和管道运输，特别是海上航运，在海上航行中，据不完全统计，世界上运输船舶每年消耗的燃油大约为2亿桶(约2.7亿t)，二氧化碳排放量达12亿t，约占全球排放量的6%左右.其中轮船为了克服航行中所受到的阻力，需要消耗大量的能源，就目前来说，研究学者们也有了许多的克服阻力的方法，比如：添加疏水涂层减阻[1-3]、过渡气层减阻[4]、气幕减阻[5-7]等.

近几年来，学者们用分子动力学的方法以及在实验论证的基础上，验证了微纳米通道里的液体流动存在着不同程度的速度滑移现象[8-10]，并且，由于分子间作用力的缘故，使得流体在疏水壁面的滑移效果优于亲水壁面.徐超等[11]模拟了三维Couette流，研究了壁面温度及壁面作用势强弱对滑移速度的影响；曹炳阳等[12]模拟了液态氩在铂纳米通道内的Couette流动，获得了流体和通道表面之间浸润性质不同时的滑移现象；并且还发现，由于表面润湿性的不同，其表面张力也会有所不一样，当液体流过其表面时，会使一部分气体附着在固体壁面形成气泡，通过改变表面粗糙度，会使气泡融合成气层，从而达到减阻的作用[13,14]；通过平板模型的减阻测试，发现气膜是实现固体壁面减阻的主要因素[15,16].但在流动的过程中，气体层会受到剪切力的作用，使得气体层被破坏[17]，致使超疏水表面在水下的减阻效果随着来流冲刷时间的增加会逐渐减小, 甚至会出现粗糙增阻的现象.同时, 随气膜尺寸增大, 其封存难度也随之提高.胡海豹等[18]构造亲疏水相间表面能形成润湿阶跃, 产生约束三相接触线移动的束缚力, 利于大尺度气膜的水下稳定封存.而通过快速沸腾技术，使用产生的蒸汽膜用来减阻，学者们对此的在一些特定领域的研究受到了一定的限制.

在我们所熟知的技术手段中，快速沸腾技术是一种快速生成蒸汽膜的方法.所谓快速沸腾[19]，是一种特殊的沸腾过程，在这种沸腾过程中，液体向蒸汽的相变非常迅速.其主要原理是将表面温度迅速升高到液体沸点以上，使接近固体壁面的液体迅速汽化，推动液体，使液体上升，形成蒸汽膜.利用快速沸腾形成的蒸汽膜能够实现减阻功能[20-24]，因此快速沸腾减阻成为一种较为新型的减阻方法.快速沸腾产生的蒸汽膜会附着于固体表面，具有滑移效应，类似于嵌入超疏水性壁面的空气层.然而超疏水性壁面的减阻效果有限，且在水压及水流冲刷作用下空气层很快会消失.持续加热物体可以在壁面处形成连续稳定的蒸汽膜，减小摩擦阻力.虽然增加壁面温度能够使之形成稳定的蒸汽层，但是由于壁面润湿性能的不同以及剪切力的不同，蒸汽层也会在一些特定的环境遭到破坏.本文通过分子动力学的模拟方法，对壁面进行升温以及改变壁面润湿性能，探究流体流动，气层的稳定性能.

2 物理模型及模拟细节

本文采用三维分子动力学方法研究微通道内纳米流体的流动特性.整个模拟系统如图1所示整个模拟系统的模拟体系分别为LX×LY×LZ=15 nm×3 nm×8 nm，在模拟系统中，整个模拟区域分为上、中、下三个区域，其中上为固体上壁面，为蓝色(黄色)区域，即固体铂原子(蓝色代表亲水，黄色代表疏水)，依次为固定层、加热层、传热层.中间是液体氩区域，即红色区域，其高度H=7.0 nm,最下面为固体下壁面，与上壁面一样，依次为传热层、加热层、固定层.上壁面与下壁面的高度为1.5 nm.模拟体系在x、y方向采取周期性边界条件，z方向为固定边界条件.固体壁面原子初始状态按照面心立方晶格(FCC)结构排列，同样，流体原子初始状态也按照面心立方晶格(FCC)结构排列，系统初始温度设为85 K，其流体饱和密度ρsat=1.401×103kg/m3.为此，为了模拟的准确性，我们将流体密度设置为0.7ρsat.

原子与原子之间的相互作用采用Lennard-Jones(LJ)势能模型，表达式为

(1)

式(1)中：r 为原子间的距离；流体氩原子之间的尺寸参数σ=3.3405 nm, 能量参数ε=1.67×10-23J;原子质量M=39.948 g/mol，固体原子之间的相互作用也采用LJ势能模型，σs=0.73σ=0.2475 nm,εs=50ε=8.35×10-20J.表1则显示了各个原子之间的势能参数.

表1 粒子之间作用参数

模拟系统采用velocity-Verlet算法求解运动方程，时间步长设为1 fs.在整个模拟系统中，我们将整个模拟过程分为3个阶段，第一阶段为驰豫阶段，在模拟过程中首先对整个系统施加正则系综(NVT), 温度设置为85 K，运行200000步，第二阶段为加热阶段，我们我们将下壁面温度设置为250 K,上壁温设置为80 K, 流体原子采用微正则系综(NVE)，运行300000步；第三阶段，给流体施加一个x方向的力，其大小F=0.0001,运行1000000步.在整个模拟中将微通道的流体区域沿z方向分为80层，每层厚度为1.0 Å，待系统稳定后每隔500步输出一次数据，统计密度、速度等物理量.

3 结果与讨论

3.1 润湿性能对于液体密度的影响

图2表示各种壁面流体原子分布图，蓝色代表亲水的固体铂原子，红色代表液体氩原子，黄色代表疏水铂原子.从图(a)中观察得知，当壁面时纯亲水时，固液界面作用力大，传热效率高，系统在传热阶段时，形成了一层蒸汽层，并且在流体流动时，壁面吸附一层流体原子，紧贴在壁面；当流体流动时，由于壁面传热的原因，气层未被破坏；从图(b)、(c)中观察得知,在交替疏水壁面上可以明显看出亲疏水的分界面.但对于两者不同属性的交替润湿表面而言，两者上方氩膜气层也有所不同，在初期，亲水基底+疏水壁面上方能形成较为规则的气层，而疏水基底+亲水壁面上方形成不规则的气层，并且在流体流动时，亲水基底+疏水壁面上方气膜能较为稳定的存在，而疏水基底+亲水壁面上方气膜遭到破坏；从图(d)中观察得知，当表面为纯疏水表面时，分子间作用力减弱，传热效率降低，无法形成气层.

3.2 润湿性能对于液体密度分布的影响

图3是微通道内流体密度分布图.其中图(a)、(d)分别为纯亲水表面和纯疏水表面密度分布图，图(b)、(c)分别为亲水基底+疏水壁面和疏水基底+亲水壁面密度分布图.其横坐标为模拟区域在Z方向上的距离；纵坐标为每层区域的流体数密度.从图(a)、(b)、(c)可以看出，对于纯亲水表面以及交替润湿表面，对于亲水区域部分，由于分子间作用力的缘故，导致壁面上吸附了一层氩原子，从而我们可以观察到，两端区域的密度高于中间流体的密度；在中间区域，数密度曲线左侧明显低于右侧，这是由于当壁面加热后，液态氩膜发生了快速沸腾，形成了一层“蒸汽层”，由于受到壁面的热冲击，流体在流动的过程中，气层未曾被流体流动时产生的剪切力破坏.图(d)显示纯疏水壁面上的数密度曲线，相比于纯亲水壁面和交替润湿壁面，疏水壁面上，壁面与液体之间的分子间作用力低于其余三种表面，壁面上很难吸附氩原子，从数密度曲线也可以看出，疏水壁面靠近壁面的密度明显低于其余三组表面.但在壁面加热过程中，未能形成“蒸汽层”.

综上所诉，由于壁面势能的影响，交替润湿表面以及纯亲水表面有着较高的传热效率，使得壁面形成气层，并且在亲水区域上，形成高密度的类固体层，故而靠近壁面流体数密度较大；对于疏水性表面，流体在通道壁面附近的平均密度降低，形成一个低密度层.

3.3 润湿性能对于液体速度分布的影响

为了更好地显示不同微通道内流体的速度，清楚的分析不同微织构周期下的速度分布情况，本文以速度拟合值为参考对象，图(4)为微通道内流体速度拟合曲线.从图(3)中流体密度分布中得知：在纯疏水表面上，在通道中部曲线震荡较为平缓，两端密度震荡幅度较大，纯疏水壁面速度呈抛物线形式；纯亲水壁面与亲水基底+疏水壁面由于产生了气层，靠近壁面区域密度接近于零，随后液体密度增大，速度的起始点要高于其余的两组壁面，但速度曲线趋势呈现类似抛物线形式；对于疏水基底+亲水组合壁面，上方形成不稳定气层，主流区域的速度小于纯疏水表面.另一方面，4条曲线共同点在于：通道内主流区流体原子距离较远，主流区域的流体原子与壁面原子之间的作用力相对于近壁面原子来说要弱一些，这就导致了主流区域流体原子的速度要大于近壁面流体原子的速度.但是仅仅对于主流区域流体原子来说，纯疏水壁面的流体原子的速度最快，这是由于流体原子与壁面的作用力最小，其次是疏水基底+亲水壁面，而纯亲水壁面上相对分子间作用力要大于其余3组壁面，故而主流区域的流体原子速度最小.

3.4 速度滑移

图5为微通道内的速度滑移分布图，四种曲线代表着四种壁面的滑移速度.对于四组壁面来说，其速度滑移的起始点有所不同，但是都产生了速度滑移.对于曲线d和曲线c(纯疏水和疏水基底+亲水)来说，两种壁面的速度滑移有着相同的起始点，对于纯疏水壁面来说，壁面与流体之间的作用力相对较少，使得壁面与流体之间有着较大的滑移速度；在疏水基底+亲水壁面上，由于在加热过程中未能形成有效的气层，导致壁面与流体的滑移速度小于纯疏水壁面；而在后两组壁面上(纯亲水与亲水基底+疏水壁面上)，两种壁面在加热的过程中形成了有效的气体层，并且在流体流动的过程中气层仍能稳定存在.由于壁面上形成气层的缘故，导致在壁面上产生滑移速度的位置逐渐远离微织构底部边界，即这两组壁面的速度起始点要高与纯疏水壁面以及疏水基底+亲水组合壁面.

综上所述，在纯亲水壁面和亲水+疏水的组合壁面上，通过壁面的加热，使得接近壁面的液体率先蒸发，高温壁面产生的蒸汽层阻隔了液体与壁面之间的接触，而且在流体流动的过程中，“蒸汽层”的稳定存在，使壁面的滑移速度得到增加；而在纯疏水壁面和疏水壁面+亲水组合壁面上方无法形成稳定的气层，导致滑移速度小于纯亲水壁面和亲水基底+疏水组合壁面.

4 结 论

本文对微通道内高温壁面气层的生成状态以及对流体流动特性进行了分子动力学模拟，研究了微通道内的分子分布形态、密度分布、速度分布和速度滑移.揭示了不同润湿性能壁面对流体流动时滑移减阻的影响规律.主要结论如下：

(1)当壁面为纯疏水壁面时，由于壁面与流体之间的分子间作用较弱，导致壁面与流体之间传热效率较低，不能形成蒸汽层；当壁面时疏水基底+亲水组合壁面时，由于加入了亲水区域，导致传热效率有所增加，在传热初期，能够形成气层，但当流体流动时，气层在受到流体剪切力的作用时，不能稳定存在；当壁面为纯亲水壁面和亲水基底+疏水组合壁面时，壁面在传热初期能够产生气层，并且在流体流动时，气层在两组壁面上都能够较为稳定的存在，说明这两组壁面对维持气层稳定性有着良好的效果.

(2)当壁面时为纯疏水壁面时，由于壁面对流体分子的作用力较弱，流体在近壁面处不存在明显的密度振荡；主流区域的密度较大，并且主流区域的速度以及滑移速度相对较大；对于疏水基底+亲水组合壁面时，加大了壁面与流体的相互作用力，导致主流区域的速度以及滑移速度相对于纯疏水壁面来说相对减少；对于纯亲水壁面和亲水基底+疏水组合壁面来说，由于传热机理，壁面上方形成了稳定的气层，根据图5中看出，速度起始点有所后移，由于存在气层的缘故，速度起始值较大，即气层的存在加大壁面滑移速度.