鮑路瑤羅凱文俊胡海豹,?,2)

?(西北工業(yè)大學(xué)航海學(xué)院，西安710072)?(西北工業(yè)大學(xué)深圳研究院，廣東深圳518057)

流體力學(xué)

疏液壁面上親液雜質(zhì)對滑移特性的影響1)

鮑路瑤?羅凱?文俊?胡海豹?,?,2)

?(西北工業(yè)大學(xué)航海學(xué)院，西安710072)?(西北工業(yè)大學(xué)深圳研究院，廣東深圳518057)

納米流動系統(tǒng)具有高效、經(jīng)濟(jì)等優(yōu)勢，在眾多領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景.因該類系統(tǒng)具有極高的表面積體積比，致使界面滑移效應(yīng)對流動具有顯著影響.論文采用非平衡分子動力學(xué)模擬方法，研究了疏液壁面表層混入少量親液原子時納米通道內(nèi)液體的滑移特性，并基于分子動理論解釋了其影響機(jī)制.研究發(fā)現(xiàn)，親液雜質(zhì)(均布或集中)對液體法向密度振蕩程度影響較弱，但會顯著改變壁面附近類固體層的分布和液體滑移規(guī)律；隨親液雜質(zhì)占比增加，液體類固體現(xiàn)象更趨明顯，壁面處液體接觸密度也線性增大，但通道內(nèi)液體平均速度逐漸降低，滑移長度也迅速減?。幌啾扔诩械挠H液雜質(zhì)，均勻分布親液雜質(zhì)對滑移的弱化效應(yīng)更強(qiáng).如當(dāng)親液雜質(zhì)占比為28%時，其滑移長度比單純疏液表面的降低率從50%擴(kuò)大至56%.基于分子動理論的分析發(fā)現(xiàn)，親液雜質(zhì)會導(dǎo)致雜質(zhì)原子附近第一液體層內(nèi)的原子發(fā)生躍遷的能壘加大，即弱化了液體原子的流向躍遷行為，從而降低了滑移量；相比于集中雜質(zhì)，均勻分布的雜質(zhì)還會降低固液間的非公度性，致使滑移特性破壞更嚴(yán)重.

疏液表面，親液雜質(zhì)，滑移，分子動力學(xué)

引言

納米流動系統(tǒng)因其高效、經(jīng)濟(jì)等優(yōu)勢在醫(yī)學(xué)、制藥、國防以及環(huán)境監(jiān)測等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景，如DNA分析和測序，藥物輸送，化學(xué)分析等[13].在納米流動中，尺度的減小導(dǎo)致固液界面滑移現(xiàn)象對流動的影響更顯著[47].因而通過調(diào)控納米流動系統(tǒng)中壁面潤濕性將能夠產(chǎn)生流動滑移(fl w slip)和可觀減阻(significan drag reduction)[89]，進(jìn)而提高系統(tǒng)效率.為描述納米通道中流體的流動特性，需要全面掌握固液界面的滑移特性和產(chǎn)生機(jī)理.

分子動力學(xué)(MD)能以原子級精度描述流體在緊鄰壁面處的流動特性，被廣泛應(yīng)用于納米流動的研究.現(xiàn)有MD研究表明，滑移依賴于固液潤濕特性，流動剪切率，固液密度比以及系統(tǒng)的熱力學(xué)條件.1997年，Thompson和Troian[10]提出了一種普適滑移模型，定量描述了在不同固液相互作用強(qiáng)度以及壁面密度下，滑移長度(slip length)與剪切率之間統(tǒng)一的依賴關(guān)系.2004—2011年，Priezjev等[2,11-14]在Thompson等的工作基礎(chǔ)上，開展一系列關(guān)于簡單和聚合物液體滑移特性的研究，給出了通道表面熱粗糙度、幾何粗糙度、分子鏈長對滑移的剪切依賴特性的影響規(guī)律.

調(diào)控固液界面潤濕特性能方便地控制納米流動的滑移量，因此，受到研究者的廣泛關(guān)注.1990至2015年，大量的研究[1520]均發(fā)現(xiàn),滑移長度隨固液潤濕性的降低而增大.1999年，Barrat等[15]基于滑移長度的Kubo公式和MD模擬給出了滑移長度與液體在固體表面靜態(tài)特征量之間的定量關(guān)系.2008年，Huang等[19]利用MD模擬方法，以液態(tài)水為流動介質(zhì)，給出了滑移與接觸角的準(zhǔn)普適關(guān)系：b∝(cosθc+1)-2，其中b為滑移長度，θc為水在壁面上潤濕時的接觸角.2011年，Priezjev[14]研究了周期性高低表面能相間壁面上Couette流動，給出了高表面能條帶與流動方向之間的夾角對滑移特性的影響規(guī)律.同年，Wang等[21]提出了滑移的分子動理論(molecular kinetics)模型，并給出從無滑移到有滑移的臨界剪切率對固液相互作用強(qiáng)度的指數(shù)依賴關(guān)系.

上述研究主要集中于均質(zhì)壁面上納米流動的滑移特性.然而在實際化工環(huán)境中，材料在制備中經(jīng)常會混入少量雜質(zhì)或被輕微污染.因此，需開展非均質(zhì)低表面能壁面上流動滑移特性的研究.本論文以Poiseuille流動為對象，采用非平衡MD模擬方法，研究了低表面能壁面表層混入少量親液雜質(zhì)對壁面滑移特性的影響.與Priezjev[14]的研究不同，這里重點(diǎn)關(guān)注親液雜質(zhì)占比及其分布形式(集中式和均布式)對流動滑移特性的影響規(guī)律，并基于分子動理論討論了其產(chǎn)生機(jī)理.

1 分子動力學(xué)模擬方法

前人研究表明，二維MD模擬不僅在簡單流動中可反映流動的物理本質(zhì)[22]，而且對于熱對流、鈍體繞流等復(fù)雜流動中也能獲得與理論與實驗相吻合的結(jié)果[2324].因此，這里采用基于降維思想[22]的二維MD模擬方法來模擬兩無限大平行平板間充分發(fā)展Poiseuille流動.在MD模型中，液體原子之間的相互作用采用經(jīng)典的Lennard-Jones(LJ)12/6勢能函數(shù)描述.該勢能模型被廣泛用于納米流動的MD模擬，其表達(dá)式為

其中，ε和σ分別為液體原子特征能量和特征長度，r為兩個液體原子之間距離.同時，為提高計算效率，設(shè)置LJ勢能的截斷半徑rc=2.5σ，即當(dāng)兩個原子間距離大于截斷半徑時,認(rèn)為這兩個原子之間的勢能為零.

數(shù)值模擬的幾何模型如圖1所示，其中，空心菱形為疏液原子，實心菱形為親液原子，兩壁面之間為液體原子.通道長度L=50.7092σ，上下壁面厚度D=3.4574σ，通道寬度B=17.4397σ.上下壁面均由312個原子構(gòu)成面心立方結(jié)構(gòu)，晶格常數(shù)為1.1525σ；液體原子共512個.固液之間相互作用也由LJ12/6模型描述，其特征長度σSL=0.8673σ.親液雜質(zhì)原子在壁面表層上集中和均布形式如圖1(a)和圖1(b)所示.均布親液雜質(zhì)以單原子方式在壁面表層上均勻分散排列，該方式與納米尺度電滲流(electroosmotic fl w)MD模擬中在壁面均勻排布帶電原子[25]方法相同.親液雜質(zhì)原子占比α定義為親液原子個數(shù)與其所在固體原子層總原子個數(shù)之比，圖1中α≈0.24.

圖1 含親液雜質(zhì)原子的納米通道流動系統(tǒng)示意圖，圖中右側(cè)為縱向坐標(biāo)，單位為σFig.1 Schematic diagram of fl w in nanochannelw ithwetting impurity atoms.The vertical coordinateaxesare shown in rightsideof figure and their unitsareσ

Gennes[26]基于楊氏方程給出液滴在固體表面上接觸角θ與固液間勢能特征能量εSL之間的定量關(guān)系

其中，ε為液體原子間勢能特征能量.曹炳陽等[27]已利用MD模擬方法驗證了上述關(guān)系.因此，文中通過調(diào)整固液原子之間LJ勢能的特征能量εSL來調(diào)控液體在固體表面的潤濕性.設(shè)置疏液壁面與液體原子之間εSL=0.25ε，對應(yīng)固液界面接觸角為120°；親液雜質(zhì)原子與液體原子之間εSL=1.0ε，對應(yīng)接觸角為0°.

模擬過程中，采用Nos′e-Hoover溫度控制方法將系統(tǒng)溫度始終控制為0.8ε/kB.待系統(tǒng)從初始狀態(tài)達(dá)到熱力學(xué)平衡后，對每個液體原子施加一個大小為0.005ε/σ的驅(qū)動力，以模擬Poiseuille流動.另外，前人研究已證實,上述量級的驅(qū)動力所產(chǎn)生的流動處于低剪切率區(qū)內(nèi)[2830]，此時剛性壁面和柔性壁面產(chǎn)生的流動滑移和流場特性基本相同[30].因此，為減小計算量，采用剛性壁面模型，即固體原子在晶格點(diǎn)處始終保持不動.文中所有算例均采用LAMMPS開源代碼，計算時間步長?t=0.002τ，其中，τ=(mσ2/ε)1/2.施加驅(qū)動力后，系統(tǒng)繼續(xù)迭代5×105步使流動達(dá)到平衡狀態(tài)，同時將通道沿垂直壁面方向分為872層，每層厚度為0.02σ.最后通過統(tǒng)計平均1×106個時間步內(nèi)每層內(nèi)速度、數(shù)密度等物理量以獲得通道內(nèi)沿流向平均的流場信息.

文中采用滑移長度的概念表征滑移量的大小.滑移速度和滑移長度的計算方法為：通過拋物線方程擬合主流區(qū)的速度分布得到表達(dá)式vx(y)；基于此表達(dá)式得到主流區(qū)速度分布延伸至壁面處的速度vx|wall和壁面剪切率γ；滑移速度vS=U-vx|wall(U為壁面速度，文中壁面靜止)，而滑移長度LS=vS/γ.其中，壁面位置設(shè)定為靠近液體的第一層固體原子的位置處.上述滑移模型稱為Navier模型，被廣泛應(yīng)用于界面滑移的實驗和數(shù)值模擬研究中.由該模型計算得到的滑移量被稱為表觀滑移(e ff ective slip length)[29].

2 模擬結(jié)果與討論

2.1 液體的密度分布

親液雜質(zhì)均布時，不同親液雜質(zhì)占比(α)條件下液體的法向密度分布如圖2(a)所示.其中，橫坐標(biāo)表示在垂直固體壁面方向上的位置，坐標(biāo)原點(diǎn)與通道中心重合；縱坐標(biāo)為液體原子的數(shù)密度，即單位體積內(nèi)液體原子的個數(shù).由于密度分布沿通道中心線對稱，圖2僅展示下壁面至通道中心的密度分布.下壁面靠近液體的第一層固體原子位于y=-9.2199σ.

不同α?xí)r，液體密度分布均先出現(xiàn)一個較高的峰值點(diǎn)，然后在約3～4個液體原子直徑范圍內(nèi)振蕩衰減至體相密度值.且隨α增大，壁面對液體原子的平均勢能約束增強(qiáng)，致使液體密度振蕩程度逐漸增加，但振蕩周期和相位并未變化.液體密度分布的第一個極大值點(diǎn)稱為液體在固體表面的接觸密度(ρC)[28]，一般認(rèn)為其與滑移密切相關(guān).因此，本文考察了ρC對α的依賴關(guān)系(圖2(b)).從中發(fā)現(xiàn),ρC隨α的增大量線性增加，即為α=0時的接觸密度.但是，ρC隨α增加緩慢，α從0增至0.28時，接觸密度僅增加約18%.這表明親液雜質(zhì)對密度振蕩程度的影響并不明顯，從圖2(a)也可以看出該規(guī)律.

從不同親液雜質(zhì)分布形式下模擬結(jié)果發(fā)現(xiàn)，集中和均勻分布對應(yīng)的液體密度分布幾乎重合，如圖3(a)所示，其中α=0.28.為定量衡量二者的差異，這里給出了層內(nèi)平均密度差隨α值的變化關(guān)系，如圖3(b)所示，其中縱坐標(biāo)取為平均密度差與液體體相密度的比值，誤差線為?ρi的標(biāo)準(zhǔn)差.平均密度差定義為兩種雜質(zhì)分布條件下對應(yīng)片層內(nèi)密度差的統(tǒng)計平均值.

圖2 親液雜質(zhì)占比對通道內(nèi)流體密度分布的影響Fig.2 The influenc ofwetting impurity on flui density

圖3 兩種分布形式密度分布比較Fig.3 The comparison between flui density profile atdi ff erent distributionsofwetting impurity

2.2 液體速度分布和滑移

圖4為親液雜質(zhì)占比及分布形式不同時液體在通道內(nèi)的速度分布，其中縱坐標(biāo)為速度，單位為ε/σ，橫坐標(biāo)為通道內(nèi)的位置，坐標(biāo)原點(diǎn)在通道中心.由于液體的速度分布沿通道中心對稱，為增強(qiáng)對比性，圖4的左右半邊同時給出親液雜質(zhì)集中和均勻分布時納米通道內(nèi)的速度分布曲線.因α=0.02代表僅有一個親液原子，沒有集中和均布分布之別，因而該條件下左右兩邊速度分布曲線關(guān)于通道中心線對稱.且此時由于親液雜質(zhì)占比很小，對流場幾乎無影響，因此速度分布與α=0(單純疏液壁面)基本重合.

圖4 親液雜質(zhì)占比及分布對液體速度分布的影響Fig.4 The influenc of percentofwetting impurity atomsand its distribution on velocity of liquid

隨著α增加，兩種雜質(zhì)分布形式下主流區(qū)液體的速度分布曲線逐漸降低，表明α的增加會減弱固液界面滑移效果.且相同α?xí)r，均勻分布的親液雜質(zhì)會導(dǎo)致液體速度分布曲線比集中分布時更低.由此可見，滑移和法向密度分布特性之間并不總是存在直接的對應(yīng)關(guān)系，或者滑移并不單獨(dú)依賴于液體的法向密度分布特性.

為進(jìn)一步定量考察親液雜質(zhì)對滑移量的影響，圖5又給出了不同親液雜質(zhì)占比及分布形式時液體的滑移長度(LS).其中，散點(diǎn)為MD模擬結(jié)果，虛線通過方程LS=Bα+擬合得到，這里為α=0時的滑移長度.從圖5中可見，不同親液雜質(zhì)分布形式時，LS均隨α以線性規(guī)律迅速減小，且在親液雜質(zhì)均勻分布時滑移長度減小得更快.如在α=0.28時，集中和均勻分布的親液雜質(zhì)使LS比單純疏液壁面分別降低約50%和56%.這表明少量親液雜質(zhì)就會對疏液表面的滑移量產(chǎn)生顯著影響，且親液雜質(zhì)均勻分布后滑移量的減小程度更大.

圖5 親液雜質(zhì)占比及分布對滑移長度的影響Fig.5 The influenc of percentofwetting impurity atomsand its distribution on slip length

2.3 親液雜質(zhì)對滑移的影響機(jī)理

Lichter等[31]的研究證明,滑移的本質(zhì)是第一液體層中原子的比率過程.第一液體層定義為壁面至密度分布的第一個極小值點(diǎn)之間的區(qū)域.第一層液體原子由于受到壁面周期性勢能的約束而優(yōu)先占據(jù)勢能最低點(diǎn).部分第一層液體原子會由于受到主流區(qū)原子的擾動將越過勢能的最高點(diǎn)躍遷至相鄰的勢能最低點(diǎn).當(dāng)原子在各個方向上的躍遷概率相同時，第一液體層的統(tǒng)計平均速度為零，即無滑移.當(dāng)沿流向的躍遷概率大于逆流向的概率時，第一層液體原子統(tǒng)計平均速度不為零，即出現(xiàn)滑移.Wang等[21]基于該原理給出了滑移速度的定量表達(dá)式

其中，kB為玻爾茲曼常量，h為普朗克常量，T為絕對溫度，F(xiàn)+和F0分別為激發(fā)態(tài)和平衡態(tài)配分函數(shù)，S為沿流向第一液體層單個分子的平均有效面積，λ為相鄰固體原子平衡位置的距離，?τ為施加的剪切應(yīng)力.?E為不存在流動時，原子躍遷所需克服的能壘.剪切應(yīng)力的存在使第一液體層原子沿流向躍遷所需克服的能壘降低了λS/2，而使原子逆流向躍遷的能壘增加了λS/2，從而導(dǎo)致原子沿流向躍遷的概率大于逆流向的概率.這一過程由方程(4)中的表達(dá)式描述.當(dāng)大于第一液體層原子的熱運(yùn)動速度的漲落(vf)時，滑移出現(xiàn)，否則施加的剪切力只會增加液體的熱運(yùn)動.

通常F+和F0相等，且文中溫度和驅(qū)動力均保持不變，因此，kBTF+/hF0和λS/2為常數(shù).由此可得滑移的大小取決于不存在流動時原子躍遷所需克服的能壘?E.圖6為固定法向位置在密度分布的第一個極大值點(diǎn)處，壁面勢能沿平行通道方向的變化曲線，其中縱坐標(biāo)為勢能，橫坐標(biāo)為沿通道方向的位置，空心圓為疏液原子，實心圓為親液原子.在該位置處的勢能曲線已可反映壁面勢能分布沿平行壁面方向的變化特點(diǎn)，且第一液體層原子也主要集中于第一個極大值點(diǎn)附近.由于壁面勢能具有周期性，因此對于集中分布的親液雜質(zhì)，需計算含有3個親液雜質(zhì)原子的情況，如圖6(a)所示.而親液雜質(zhì)在均布形式下，相鄰兩個親液雜質(zhì)原子之間的距離較遠(yuǎn)，因此僅需計算含有一個親液雜質(zhì)原子的勢能曲線，如圖6(b)所示.

當(dāng)壁面含有親液雜質(zhì)時，由于親液雜質(zhì)與液體之間的相互作用強(qiáng)度較大，因此第一液體層原子在跨越親液原子時需克服更大的能壘，致使原子發(fā)生躍遷的概率下降從而滑移減小.而隨著親液原子占比增加，較大的能壘在壁面產(chǎn)生勢能中的占比增加，因此，滑移量會逐漸減小.

雖然親液雜質(zhì)集中和均勻分布時，由親液原子產(chǎn)生的能壘基本相同,但均勻分布時，由于與液體相互作用強(qiáng)度不同，致使親液原子與相鄰兩個疏液原子產(chǎn)生的勢能極小值點(diǎn)之間的距離略大于相鄰兩個固體原子之間的距離λ,這等效于降低了液體與固體之間的非公度性(incommensurability)，從而使得滑移量減小(文獻(xiàn)[10,20]均證實較低的非公度性會導(dǎo)致較小的滑移量);而親液雜質(zhì)集中分布時，親液原子相鄰排列，對固液之間的非公度性影響很小(僅在親液雜質(zhì)最邊緣處會有影響),因此，均勻分布的親液雜質(zhì)相較于集中分布會進(jìn)一步降低流動系統(tǒng)的滑移量.

圖6 親液雜質(zhì)和集中分布時壁面第一層原子產(chǎn)生的勢能分布Fig.6 The potentialdistribution of firs layerofwallas thewetting impurity atomswere distributed uniform ly and concentrated

3 結(jié)論

采用非平衡MD模擬方法，研究了含有少量親液雜質(zhì)的疏液表面對納米通道內(nèi)液體流場和滑移特性的影響.

由于親液雜質(zhì)與液體之間相互作用強(qiáng)度較大，親液雜質(zhì)的存在會增強(qiáng)液體在固體表面的類固體現(xiàn)象；同時隨著親液雜質(zhì)占比增加，液體的類固體現(xiàn)象更明顯，且液體在固體表面的接觸密度與親液雜質(zhì)占比呈線性關(guān)系;而相同親液雜質(zhì)占比條件下，不同親液雜質(zhì)分布形式對液體的密度分布并無影響.

親液雜質(zhì)的占比和分布形式對液體的速度分布和滑移特性均有著顯著的影響.在親液雜質(zhì)集中和均勻分布條件下，滑移長度均隨親液雜質(zhì)占比增加而線性減小，且親液雜質(zhì)均勻分布時滑移長度減小的更快.少量親液雜質(zhì)就會對壁面滑移產(chǎn)生顯著的影響，從而減弱疏液表面降低流動阻力的能力.

親液雜質(zhì)在壁面局部會增加第一液體層原子在發(fā)生躍遷行為時的能壘，從而降低壁面滑移.而相較于集中分布，均勻分布的親液雜質(zhì)由于降低固液之間的非公度性，致使其對滑移特性的破壞更嚴(yán)重.

1 Spikes H,Granick S.Equation for slip of simple liquids at smooth solid Surfaces.Langmuir,2003,19(12)：5065-5071

2 Priezjev NV,Troian SM.Molecularorigin and dynam ic behavior of slip in sheared polymer films PhysicalReview Letters,2004,92(1)：018302

3 Ma MD,Shen LM,Sheridan J,et al.Friction of water slipping in carbon nanotubes.PhysicalReview E,2011,83(3)：036316

4宋付權(quán)，張翔，黃小荷等.納米尺度下頁巖基質(zhì)中的頁巖氣滲流及滲吸特征.中國科學(xué)：技術(shù)科學(xué),2016,46(2)：120-126(Song Fuquan,Zhang Xiang,Huang Xiaohe,etal.The fl w characteristics of shale gas through shale rockmatrix in nano-scale and water imbibition on shale sheets.Scientia Sinica Technologica,2016,46(2)：120-126(in Chinese))

5 Ramos-A lvarado B,Kumar S,Peterson GP.Hydrodynam ic slip length as a surface property.Physical Review E,2016,93(2)：023101

6宋付權(quán)，田海燕，張世明等.潤濕性微納米圓管中去離子水的流動特征.水動力學(xué)研究與進(jìn)展A輯,2016,31(5)：615-620(Song Fuquan,Tian Haiyan,Zhang Shim ing,etal.The characteristics of deionized water fl w in hydrophilic m licro-and nano-fl w m icrotubes.Chinese JournalofHydrodynamics A,2016,31(5)：615-620(in Chinese))

7 Liang Z,Keblinski P.Slip length crossover on a graphene surface.JournalofChemical Physics,2015,142(13)：134701

8 Martini A,Hsu H-Y,Patankar NA,et al.Slip at high shear rates.PhysicalReview Letters,2008,100(20)：206001

9 MartiniA,Roxin A,Snurr RQ,etal.Molecularmechanismsof liquid slip.JournalofFluid Mechanics,2008,600：257-269

10 Thompson PA,Troian SM.A generalboundary condition for liquid fl w atsolid surfaces.Nature,1997,389(6649)：360-362

11 Priezjev NV,DarhuberAA,Troian SM.Slip behavior in liquid film on surfaces of patterned wettability：Comparison between continuum andmoleculardynam icssimulations.PhysicalReview E,2005,71(4)：041608

12 Priezjev NV.E ff ect of surface roughness on rate-dependent slip in simple fluids JournalofChemicalPhysics,2007,127(14)：144708 13 Priezjev NV.Shear rate threshold for the boundary slip in dense polymer films PhysicalReview E,2009,80(3)：031608

14 Priezjev NV.Molecular di ff usion and slip boundary conditions at smooth surfacesw ith periodic and random nanoscale textures.JournalofChemical Physics,2011,135(20)：204704

15 Barrat JL,Bocquet L.Influenc of wetting properties on hydrodynamic boundary conditions at a flui/solid interface.Faraday Discussions,1999,112：119-127

16 Cottin-Bizonne C,Cross B,Steinberger A,etal.Boundary slip on smooth hydrophobic surfaces：Intrinsice ff ectsand possibleartifacts.PhysicalReview Letters,2005,94(5)：056102

17 Voronov RS,Papavassiliou DV,Lee LL.Boundary slip and wetting properties of interfaces：Correlation of the contact angle w ith the slip length.JournalofChemicalPhysics,2006,124(20)：204701

18曹炳陽，陳民，過增元.納米通道內(nèi)液體流動的滑移現(xiàn)象.物理學(xué)報,2006,55(10)：5305-5310(Cao Bingyang,Chen M in,Guo Zengyuan.Velocity slip of liquid fl w in nanochannels.Acta Physica Sinica,2006,55(10)：5305-5310(in Chinese))

19 Huang DM,SendnerC,Horinek D,etal.Waterslippageversuscontact angle：A quasiuniversal relationship.Physical Review Letters,2008,101(22)：226101

20 Thompson PA,RobbinsMO.Shear-fl w near solids-epitaxial order and fl w boundary-conditions.Physical Review A,1990,41(12)：6830-6837

21 Wang FC,Zhao YP.Slip boundary conditions based onmolecular kinetic theory：The criticalshearstressand theenergy dissipation at the liquid-solid interface.SoftMatter,2011,7(18)：8628-8634

22曹炳陽.速度滑移及其對微納尺度流動影響的分子動力學(xué)研究.[博士論文].北京：清華大學(xué),2005(Cao Bingyang.Molecular dynam ics simulation of velocity slip and its e ff ect on micro-and nanoscale fl w.[PhD Thesis].Beijing：Tsinghua University,2005(in Chinese))

23 Rapaport DC,Clementi E.Eddy formation in obstructed flui fl w amolecular dynam ics study.PhysicalReview Letters,1986,57(6)：695-698

24 Rapaport DC.Molecular dynamics study of Rayleigh-Benard convection.PhysicalReview Letters,1988,60(24)：2480-2483

25 Yoshida H,M izuno H,Kinjo T,et al.Molecular dynamics simulation of electrokinetic fl w of an aqueous electrolyte solution in nanochannels.JournalofChemicalPhysics,2014,140(21)：214701

26 de Gennes PG.Wetting statics and dynamics.Review ofModern Physics,1985,57(3)：827-863

27曹炳陽，陳民，過增元.納米結(jié)構(gòu)表面浸潤性質(zhì)的分子動力學(xué)研究.高等學(xué)?；瘜W(xué)學(xué)報,2005,26(2)：277-280(Cao Bingyang,Chen M in,Guo Zengyuan.Wettability of surface w ith nano-structures studied by usingmoleculardynamicssimulation.Chemical Journal ofChinese Univsesities,2005,26(2)：277-280(in Chinese))

28 Yong X,Zhang LT.Investigating liquid-solid interfacialphenomena in a Couette fl w at nanoscale.Physical Review E,2010,82(5)：056313

29 Yong X,Zhang LT.Slip in nanoscale shear fl w：Mechanisms of interfacial friction.M icrofluidic and Nanofluidic,2013,14(1-2)：299-308

30 Yong X,Zhang LT.Thermostatsand thermostatstrategies formolecular dynamics simulations of nanofluidics Journal of Chemical Physics,2013,138(8)：084503

31 Lichter S,Martini A,Snurr RQ,et al.Liquid slip in nanoscale channels as a rate process.Physical Review Letters,2007,98(22)：226001

INFLUENCEOFSMALL AMOUNTOFWETTING IMPURITY ON THE SLIPOF LIQUID FLOW OVER NON-WETTING SURFACE1)

Bao Luyao?Luo Kai?Wen Jun?Hu Haibao?,?,2)?

(SchoolofMarine Science and Technology，Northwestern PolytechnicalUniversity，Xi’an 710072，China)?(Research&Development Institute in Shenzhen,Northwestern PolytechnicalUniversity，Shenzhen 518057，Guangdong，China)

Thenanofluidi systemshasgreatprom iseapplications inmany areasbecauseofhigh e ffi ciency and economic performance.During to the very large rate of surface and volume,the interface slip e ff ectw ill significantl influenc the fl w properties in nanofluidi systems.The non-equilibrium molecular dynam ics simulation was used to investigate the slip properties as liquid fl ws past non-wetting solid wallwhich contains small amount of wetting impurity.The underlyingmechanism was also discussed based on themolecular kinetic theory.The simulation results indicate that thewetting impurity(uniform ly or concentrated distributed)show insignifican influenc on density profil of liquid but significantl alters the solid-like structure and slip property of liquid.As the percentofwetting impurity increasing,the solid-like phenomenon of liquid nearwalls becomesmore significan and the contact density increases linearly.At the same time,the average velocity of liquid decreasing and the slip length decreases fast in a linearly way.The uniform ly distributed wetting impurity reduces themagnitude of slip more significantl than concentrated distributed at the samepercent of wetting impurity.For example,as the percent of wetting impurity is 28%,the slip length decreases 50%(concentrated distributed)and 56%(uniform ly distributed)relative to the homogeneous non-wetting wall.The analysis based on themolecularkinetic theory indicates that theexistenceofwetting impurity enlarges theenergy barrieras liquid atomshopping from one sites to another in the firs liquid layer.Thus,the probability of liquid atomshoping along the fl w directionwasdecreased,i.e.smaller the slip length.In the caseofuniform ly distributedwetting impurity,the smaller slip arbitrated to the decreasing incommensurability between flui and wall.

non-wetting surface，wetting impurity，slip，molecular dynam ics

O647

A

10.6052/0459-1879-16-368

2016-12-07收稿，2017-04-07錄用,2017-04-13網(wǎng)絡(luò)版發(fā)表.

1)國家自然科學(xué)基金(51679203)、深圳市基礎(chǔ)研究項目(JCYJ20160510140747996)資助.

2)胡海豹，副教授，主要研究方向：表界面力學(xué)行為及其應(yīng)用.E-mail：huhaibao@nwpu.edu.cn

鮑路瑤,羅凱,文俊,胡海豹.疏液壁面上親液雜質(zhì)對滑移特性的影響.力學(xué)學(xué)報,2017,49(4)：811-817

Bao Luyao,Luo Kai,Wen Jun,Hu Haibao.Influenc of smallamountofwetting impurity on the slip of liquid fl w over non-wetting surface.Chinese JournalofTheoreticaland Applied Mechanics,2017,49(4)：811-817