تاثير تغيير ثابت فنر ديوار بر توزيع سيال لنارد-جونز در نانو كانال به روش شبيه سازي ديناميك مولكولي

The wall spring constant variation effect on distribution of Lennard-Jones fluid in nanochannel by molecular dynamic simulation

به منظور شبيه سازي عددي فرآيند انتقال گرما از ساختار ديوار به سيال در نانوكانال ها، بازه ي وسيعي از ثابت فنر بسته به جنس ديوار مورد استفاده قرار مي گيرد. در اين مقاله تاثير تغيير ثابت فنر ديوار بر انتقال گرما و توزيع خواص ماكروسكوپيك مختلف سيال بررسي شده است. به اين منظور، انتقال حرارت در گاز آرگون با عدد نودسن 10 بين دو ديوار ساكن از يك نانوكانال با عرض 5.4 نانومتر با استفاده از روش ديناميك مولكولي شبيه سازي شده است. مقايسه ي نتايج نشان مي دهد كه با كاهش ثابت فنر ديوار، دامنه نوسانات اتم هاي ديوار افزايش يافته و اين امر امكان نزديك تر شدن اتم هاي گاز به سطح ديوار را افزايش مي دهد كه در نتيجه شار حرارتي عبوري از گاز و متناظر با آن ضريب هدايت حرارتي افزايش مي يابد. بررسي نتايج افزايش ضريب هدايت حرارتي گاز در عرض نانوكانال از 0.11 mW⁄(m-K) به0.27 mW⁄(m-K) را براي كاهش مقدار ثابت فنر از k_s=1100εσ^(-2) به k_s=100εσ^(-2) را نشان مي دهد. به علاوه نزديك تر شدن اتم هاي گاز به سطح، پرش دمايي بر روي مرز را كاهش داده كه اين امر موجب افزايش هر چه بيشتر چگالي گاز در مجاورت ديوار سرد و كاهش آن در مجاورت ديوار گرم مي گردد. مقايسه ي پروفيل توزيع دما، چگالي و فشار در عرض نانوكانال نشان مي دهد كه مستقل از تغييرات ثابت فنر، مقدار بيشينه ي كميت هاي مذكور در فاصله σ⁄2 از ديواره اتفاق مي افتد.

In order to simulate the heat transfer process from wall to fluid in nanochannel numerically, extensive range of spring constants with regard to wall material is used. In this paper, the effect of variation in wall spring constant on the heat transfer and distribution of the macroscopic properties of fluid is investigated. In this regard, heat transfer in argon gas between two stationary walls of a 5.4 nm nanochannel with Knudsen number 10 has been simulated using the molecular dynamic method. Comparison between the results shows that by reducing the wall spring constant, the amplitude of wall atoms vibration increased, causing the gas atoms to become closer to the wall surface which results in an increase in the heat flux and thermal conductivity coefficient of the gas. Evaluating the result reveals that while the spring constant reduces from 𝑘s=1100𝜀𝜎−2 to 𝑘s=100𝜀𝜎−2, the thermal conductivity coefficient of the gas changes from 0.11mWm−K⁄ to 0.27mW𝑚−𝐾⁄. Furthermore, the reduced distance between the gas atoms and wall surface results in a decrease in the temperature jump on the wall so it increases the gas density near the cold wall while it decreases near the warm wall. Comparison between temperature, density and pressure profiles in the nanochannel height shows that regardless of the amount of spring constant variation, the maximum of these properties has occurred 𝑎𝑡𝜎2⁄ from the walls.