بخشی از مقاله
چکیده
تحقیق حاضر به بررسی رفتار جریان آب در نانو کانالها تمرکز میکند. روش شبیهسازی دینامیک مولکولی غیر تعادلی برای شبیهسازی جریان هاگن-پوازیه آب در نانو کانال مورداستفاده قرارگرفته است.به این منظور دو دیواره از جنس آلومینیوم برای شبیهسازی دیوارهها مورداستفاده قرارگرفته است. در این مطالعه پتانسیل لنارد-جونز برای مدل کردن برهمکنش بین مولکولهای دیواره و ذرات آب استفادهشده است.
بهمنظور تغیر خواص سطح از تغییر مقداراستفاده شده است. مقدار بالاتر نشانگر آبدوستی بیشتر دیواره است. نتایج شبیهسازیهای انجامشده در دو بخش پروفیل سرعت و ضریب اصطکاک موردبررسی قرارگرفتهاند. همچنین بهمنظور بررسی خواص هیدرودینامیکی جریان نسبت به بررسی معیار لغزش سرعت بر روی دیواره و بر اساس تعریف طول لغزش بهعنوان مبنایی برای بررسی مقدار لغزش بر روی دیواره اقدام شده است. نتایج شبیهسازیهای انجامشده برای نیروهای واردشده بر دیواره نشانگر افزایش ضریب اصطکاک جریان با افزایش ویژگی آبدوستی دیوارهها است. همچنین نتایج حاصل نشان میدهد که افزایش ویژگی آبدوستی دیوارهها باعث کاهش لغزش سرعت خواهد شد.
مقدمه
مقالات در سالهای اخیر ویژگیها و خواص غیرمعمول سیالات در جریانهای با مقیاس نانو موردتوجه کارشناسان و محققان بسیاری قرارگرفته است .این توجه به بررسی جریانها در مقیاس نانو بهویژه با پیشرفتهاینانوفنّاوری و شروع به ساخت و استفاده از ابزارها در مقیاس نانو اهمیت فوقالعادهای پیداکرده است. به دست آوردن مشخصات و ویژگیهای جریان در ابعاد نانو یکی از قسمتهای اصلی تحقیقات در این زمینه است. با توجه به هزینه بسیار بالای تحقیقات آزمایشگاهی نتایج حاصل از مطالعات عددی در این زمینه بیشتر مورداستفاده محققین قرار میگیرد.
شبیهسازی دینامیک مولکولی بهعنوان یکی از روشهای کارآمد شبیهسازی جریان سیالات گوناگون در مقیاس نانو است که اولین بار توسط آلدر و بهعنوان روش استاندارد شبیهسازی در محاسبات فیزیک آماری مطرح گردید. مطالعه جریانها در ابعاد نانو در بسیاری از کاربردها ازجمله ادوات میکروفلوئیدی و سیستمهای بیولوژیکی موردتوجه بسیاری از محققین است.
همانطورکه اشاره شد رفتار جریان در ابعاد نانو در مقایسه با ابعاد ماکرو کاملاً متفاوت است. در ابعاد نانو جریان سیال با نسبت بزرگ سطح به حجم روبرو است و درنتیجه در بررسی جریان نانو برهمکنش بین سیال و سطح جامد بسیار مهم است. از آنجائی که مشاهده و بررسی سیال در سطح جامد بسیار دشوار است استفاده از روشهایی مانند دینامیک مولکولی بسیار کاربردی است. همانطور که گفته شد به دست آوردن دادههای تجربی در مقیاس نانو بسیار سخت و هزینهبر است. بااینحال مطالعات آزمایشگاهی انجامشده در این زمینه بسیار مفید و کاربردی است.
کرایگ و همکاران - 2001 در مطالعات آزمایشگاهی خود نشان دادهاند که لغزش جریان بهشدت تحت تأثیر برهمکنش سیال و دیوارهها و زبری سطح است.
- امین فر و رزمآرا - 2013با استفاده از شبیهسازی مولکولی و اعمال تابع پتانسیل لنارد-جونز جریان پوازی آرگون مایع را در یک نانو کانال باریک شبیهسازی کردند. آنها با استفاده از تابع لنارد-جونز نسبت به یافتن پروفیلهای سرعت چگالی و انرژی اقدام کردند.
- ژو و همکاران - 2014 به شبیهسازی دینامیک مولکولی غیر تعادلی بر روی مولکولهای آب در باریکه پر منفذ و با دیوارههای متحرک و بررسی اثر دیوارههای متحرک و اثر آن بر ایجاد جریان در مولکولهای آب پرداختهاند که نتایج شبیهسازی آنها نشان میدهد در سطح مولکولی افزایش قابلیت آبدوستی باعث افزایش نفوذ حرکت ناشی از دیواره به لایههای داخلی آب میگردد.
- یانگ - 2006با استفاده از دینامیک مولکولی نتیجه گرفت که سیالات در مواجهه با سطح آبدوست با یکفاصله هوایی و یا نانوحباب روبرو میشوند که این فاصله تأثیرات مستقیمی بر روی لغزش جریان خواهد داشت.
- بینگ کو و همکاران - 2006 به انجام شبیهسازی دینامیک مولکولی برای بررسی تأثیرات زبری سطح بر روی جریان گاز آرگون در میکرو کانال پرداختند .
در این شبیهسازی هندسههای زبری متفاوتی مورداستفاده قرار گرفت. نتایج شبیهسازی نشانگر ارتباط شرط مرزی لغزشی نهتنها با عدد نادسن که با تغییر زبری سطح نیز است. - چن و لین - 2004 نیز بامطالعه تأثیرات آبدوستی سطح و مقدار نیروی اعمالی در جریان فشاری سیال لنارد-جونز و شرایط مرزی هیدرودینامیکی اقدام کردهاند.
- سوفاس و همکاران - 2009 رای جریان پوازی به بررسی تأثیرات دما و نیروی خارجی اعمالی بر روی جریان آرگون مایع پرداختهاند که نتیجه بررسی نشانگر ناچیز بودن تأثیر این دو پارامتر بر روی جریان است.
- طغرایی و عظیمیان - 2010 جریان پوازیه آرگون مایع در یک نانو کانال باریک را شبیهسازی کردهاند. آنها با اعمال نیروی یکنواخت روی ذرات سیال پروفیلهای چگالی سرعت و دما را به دست آوردهاند.
- ناگایاما و چنگ - 2004 نشان دادند که شرایط مرزی هیدرودینامیک در سطح بین سیال و جامد به هر دو پارامتر آبدوستی و مقدار نیروی اعمالی بستگی دارد.
- رضایی و همکاران - 2012 جریان الکترواسموتیک در یک محلول الکترولیت و در مجاورت دیوارههای باردار شبیهسازی کردهاند. نتایج این تحقیق نشانگر شرط عدم لغزش جریان بر روی دیوارهها است. یعنی سرعت جریان از مقدار صفر بر روی دیوارهها شروع شده و در ناحیه دوگانه الکتریکی با شیب نسبتاً زیاد افزایش مییابد تا به یک مقدار ثابت در توده سیال برسد. همانطوری که ذکر شد در مطالعات قبلی انجامشده از دینامیک مولکولی تعادلی برای بررسی خواص جریان در مقیاس نانو و بر اساس پارامترهایی مانند اندازه زبری و دما انجامشده بود. برای بررسی جریان آب بایستی از دینامیک مولکولی غیر تعادلی استفاده نمود.
- کارل و همکاران - 2003 با استفاده از این تکنیک شبیهسازی به بررسی پدیده اسمزی آب در غشاهای نانو تیوب با استفاده از تغیر غلظت بهعنوان نیروی محرکه جریان پرداختهاند.
- رحمتی پور و عظیمیان - 2015 بهمنظور بررسی تغییرات سرعت سیال و لغزش سیال در جریان کوئت پایدار تأثیر عوامل مختلفی چون سرعت دیواره، ارتفاع کانال، چگالی دیواره، برهم-کنش بین ذرات سیال -دیوار و همچنین تغییر هندسه زبری سطح ازجمله زبری مستطیلی و مثلثی در ابعاد و اندازههای مختلف برای گاز آرگون بررسی کردهاند.
- ژائو و همکاران - 2010 با در نظر گرفتن و اعمال نیروی گرانشی و سپس حذف آن , نتایج حاصل از این عمل بر روی کاهش شتاب و سرعت آب را بررسی کردهاند. برای به وجود آمدن جریان در یکجهت لازم است که یک نیروی محرکه بر مولکولهای سیال اعمال گردد. دیوارههای متخلخل در طی فرایندها ثابت میباشند. بااینحال در مواردی نیز دیوارهها ثابت نبوده و باعث به وجود آمدن جریان میشوند. اما بر اساس اصول اولیه انتقال این روش به دلیل محدود بودن تأثیرپذیری مولکولهای نزدیک دیواره برای بررسی بالک سیال مناسب نیست.
بااینحال توسط روشهایی مانند میکروسکوپی نیروی اتمی استفاده از روش شبیهسازی برای بررسی خواص سطح بر روی جریان را مورد تائید قرار دادهاند. این روشها و ابزارها بهعنوان روشهایی برای ارتباط نتایج آزمایشگاهی و شبیهسازیها با دادههای تجربی بوسیله - ان و همکاران - 2012، - لیو و همکاران - 2010 و - لیو و همکاران - 2008 مورد استفاده قرار گرفته است.
با توجه به اهمیت روزافزون آب در فرایندهای با مقیاس نانو و محدود بودن بررسیهای انجامشده به تأثیرات خواص سطح بر روی جریان سیالات ساده و تک اتمی در این تحقیق به بررسی جریان پوازی آب در نانو کانال و اثرات خواص سطحی دیواره ثابت بر روی جریان میپردازیم.
در این بررسی تغییرات خواص سطح بر اساس تغییر خاصیت آبدوستی سطح و اثرات آن بر روی جریان در دو بخش مورد ارزیابی و بررسی قرارگرفته است. در ابتدا به بررسی پروفیل سرعت تشکیلشده در نانو کانال و تفاوتهای ظاهری توزیع سرعت در مقادیر مختلف آبدوستی پرداختهشده است. پس از بررسی سرعت نسبت به بررسی مقاومت سیال در برابر جریان و نحوه تأثیرپذیری آن از پروفیل سرعت تشکیلشده و براثر برهمکنش بین مولکولهای آب و دیواره اشاره شده است.
روش تحقیق
در روش دینامیک مولکولی از روشهای کارآمد جهت حل معادلات حرکت است. این روش بهویژه هنگام بررسی ویژگیهای سیال که نیازمند تحلیل نیروهای مولکولی است اهمیت بسزایی پیدا میکند.
