شبيه‌سازي ديناميك مولكولي رفتار جريان كويت درون نانو كانال با ديواره صاف و زبر

Molecular dynamics simulation of Couette flow behavior in smooth and rough nanochannels

در زمينه فناوري نانو، انتقال سيال در مجاري از اهميت بالايي برخوردار است و با توجه به محدوديت هاي آزمايشگاهي در تحليل رفتار جريان در مقياس نانو از شبيه سازي هاي عددي استفاده مي شود. از اين رو در اين پژوهش با استفاده از شبيه سازي ديناميك مولكولي كه يك روش دقيق براي سيستم هاي مولكولي بر مبناي قانون دوم نيوتن است براي بررسي رفتار جريان سيال آرگون در جريان كويت پايدار درون نانوكانال هاي صاف و زبر مورد مطالعه قرار گرفته است. شبيه سازي هاي اين پژوهش با استفاده از نرم افزار لمپس انجام شده است. در تحقيق حاضر، به منظور بررسي تغييرات سرعت سيال و لغزش سيال در جريان كويت پايدار تاثير عوامل مختلفي چون سرعت ديواره، ارتفاع كانال، چگالي ديواره، برهم-كنش بين ذرات سيال-ديوار و همچنين تغيير هندسه زبري سطح از جمله زبري مستطيلي و مثلثي در ابعاد و اندازه هاي مختلف بررسي شده است. بر اساس نتايج بدست آمده در اين پژوهش افزايش سرعت ديواره، لغزش سرعت سيال را افزايش مي دهد. به ازاي مقادير ثابت سرعت ديواره، افزايش ارتفاع كانال باعث كاهش لغزش سرعت سيال مي شود. براي جريان كويت پايدار كاهش چگالي ديوار، باعث كاهش لغزش سرعت سيال مي شود. با كاهش پارامتر انرژي، لغزش سرعت سيال افزايش و با كاهش پارامتر طولي، لغزش سرعت سيال كاهش پيدا مي كند. اعمال زبري هاي مستطيلي و مثلثي به ديوار پايين باعث كاهش لغزش سرعت سيال مي شود، همچنين با افزايش ارتفاع زبري لغزش سرعت سيال بيشتر كاهش مي يابد.

Fluid flow through channels and ducts in nano scales is an important issue which requires numerical simulations for better analysis of fluid behavior because of the limitations of experimental methods. Hence, in the present study Molecular Dynamics simulation is used as a precise method for molecular scale problems to investigate fluid behavior. This method, which is based on Newton’s second law, is applied to investigate liquid Argon flow in steady Couette flows through smooth and rough nanochannels. Simulations were performed using LAMMPS software. In the present study, the fluid velocity and fluid slip in steady Couette flows were obtained to investigate various effects including: wall velocity, channel height, wall density, fluid-wall interaction, and surface roughness with different shapes such as rectangular and triangular in different dimensions. Based on the results, an increase in wall velocity increases the fluid slip velocity. For velocity constant values, an increase of channel height will decrease the fluid slip velocity. In steady Couette flow, decrease of wall density will result in decrease of fluid slip velocity. Reducing the energy parameter between fluid and wall will increase the fluid slip velocity and, on the other hand, decreasing the fluid-wall length parameter will decrease the fluid slip velocity. The rectangular and triangular roughness at the bottom wall reduces the fluid slip velocity, and an increase of roughness height further decreases the fluid slip velocity.