速度滑移对液固界面热阻的影响的分子动力学模拟.doc

文档介绍：中国工程热物理学会传热传质学
学术会议论文编号:123491
速度滑移对液固界面热阻的影响的分子动力学模拟基金项目:国家自然科学基金(No. 51076078)
葛宋,陈民
(清华大学工程力学系,北京,100084)
(Tel: [phone], Email:******@tsinghua.)
摘要采用分子动力学模拟比较了纳米通道中液体与固体相对静止、液体流动但界面无速度滑移以及液体流动且界面处存在速度滑移三种情况下的界面热阻,分析了流动和速度滑移对界面热阻的影响。模拟结果表明流动和速度滑移使得界面热阻略有减小,减小程度在10%左右。并对其原因进行了分析。
关键词速度滑移;温度跳跃;界面热阻;分子动力学
0 前言
微纳米尺度的流动与换热在微纳米系统中普遍存在,这些现象常常表现出不同于宏观条件的新特性[[] G. Karniadakis, A. Beskok, N. Aluru, Microflows and Nanoflows: Fundamentals and Simulation [M], New York: Springer, 2005.
],比如界面效应常常不可忽略,甚至成为主导因素。液固界面处的速度滑移和由界面热阻引起的温度跳跃是重要的界面现象,对液固间动量和能量输运起着关键作用。以往液固界面速度滑移和界面热阻的研究多数是分别考虑的,如等温条件下的速度滑移及液体无宏观流动时的界面热阻。仅少量研究分析了流动与传热的耦合[[]Liu C, Fan Hai-Bo, Zhang Kai., et al., Flow dependence of interfacial thermal resistance in nanochannels [J], J. Chem. Phys., 2010, 132:094703(1-5)
,[]R. Khare, P. Keblinski, A. Yethiraj, Molecular dynamics simulations of heat and momentum transfer at a solid–fluid interface: Relationship between thermal and velocity slip[J], International Journal of Heat and Mass Transfer 49 (2006) 3401–3407
]。实际中速度滑移和温度跳跃常常同时存在且耦合。对于气体,速度滑移对温度跳跃的影响可由分子动力论导出[[] 陈熙,动力论及其在传热和流动研究中的应用[M],北京:清华大学出版社,1996
]。对于既有法向温度梯度、又有速度梯度的情况,温度跳跃为:
∆T=2-aaγγ+12Prλ∂T∂y-3γγ+1us2cp (1)
其中a为热协调系数,γ为气体比热比,Pr为普朗特数,λ为导热系数,us为表面滑移速度,cp为比热。与表面只有法向温度梯度时的表达式对比可知速度滑移的影响主要反映在右侧的第二项。对于室温下的空气,第二项即使在us=10m/,可见气体的流动和速度滑移对于气固界面热阻的影响很有限。液固界面性质相比气固界面更复杂,没有像气体动力论这样成熟的理论。流动和速度滑移对液固界面热阻的影响是否