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Molecular dynamics simulation of the flow mechanism of shear-thinning fluids in a microchannel
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作者 杨刚 郑庭 +1 位作者 程启昊 张会臣 《Chinese Physics B》 SCIE EI CAS CSCD 2024年第4期516-525,共10页
Shear-thinning fluids have been widely used in microfluidic systems,but their internal flow mechanism is still unclear.Therefore,in this paper,molecular dynamics simulations are used to study the laminar flow of shear... Shear-thinning fluids have been widely used in microfluidic systems,but their internal flow mechanism is still unclear.Therefore,in this paper,molecular dynamics simulations are used to study the laminar flow of shear-thinning fluid in a microchannel.We validated the feasibility of our simulation method by evaluating the mean square displacement and Reynolds number of the solution layers.The results show that the change rule of the fluid system's velocity profile and interaction energy can reflect the shear-thinning characteristics of the fluids.The velocity profile resembles a top-hat shape,intensifying as the fluid's power law index decreases.The interaction energy between the wall and the fluid decreases gradually with increasing velocity,and a high concentration of non-Newtonian fluid reaches a plateau sooner.Moreover,the velocity profile of the fluid is related to the molecule number density distribution and their values are inversely proportional.By analyzing the radial distribution function,we found that the hydrogen bonds between solute and water molecules weaken with the increase in velocity.This observation offers an explanation for the shear-thinning phenomenon of the non-Newtonian flow from a micro perspective. 展开更多
关键词 molecular dynamics simulation non-Newtonian fluid MICROCHANNEL SHEAR-THINNING
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非牛顿流体剪切稀化特性的分子动力学模拟 被引量:4
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作者 杨刚 郑庭 +1 位作者 程启昊 张会臣 《物理学报》 SCIE EI CAS CSCD 北大核心 2021年第12期130-140,共11页
非牛顿流体在微流控系统及生物医学等领域具有广泛应用.采用分子动力学模拟方法,以羧甲基纤维素钠分子和水分子构成的系统为研究对象,模拟了不同剪切速度下羧甲基纤维素钠溶液的构型演变,采用溶质分子的均方位移和近表面水分子层的相对... 非牛顿流体在微流控系统及生物医学等领域具有广泛应用.采用分子动力学模拟方法,以羧甲基纤维素钠分子和水分子构成的系统为研究对象,模拟了不同剪切速度下羧甲基纤维素钠溶液的构型演变,采用溶质分子的均方位移和近表面水分子层的相对剪切速度表征溶液黏度的变化,着重分析了氢键作用对溶液黏度变化的影响.结果表明:羧甲基纤维素钠溶液中水分子与溶质分子相互吸引形成更致密的氢键网络,使得溶液黏度增加.当对溶液施加剪切作用时,溶质分子上与碳相连的氢原子与水氧原子之间的径向分布函数峰值减小,二者形成的氢键作用减弱.在剪切作用下,溶质分子运动加剧,水分子对溶质分子运动的阻碍作用减小;同时距剪切边界越近的水分子的移动速度越接近剪切速度,随着距离增加,水分子层的移动速度大幅度减小;以上结果在宏观上可表现为体系的黏度降低.剪切速度增加,羧甲基纤维素钠溶液的剪切稀化现象愈加显著. 展开更多
关键词 非牛顿流体 分子动力学 剪切稀化 氢键
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界面水分子扩散对超高分子量聚乙烯摩擦学性能影响的反应分子动力学模拟研究
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作者 郑庭 谷靖萱 +1 位作者 程启昊 张会臣 《高分子学报》 SCIE CAS CSCD 北大核心 2024年第2期222-234,共13页
采用基于反应力场(ReaxFF)的分子动力学模拟方法,研究了摩擦界面水分子向超高分子量聚乙烯(UHMWPE)基体扩散和渗透的基本过程.分子模拟结果表明:摩擦过程中,水分子稳定吸附在Fe板表面,并与聚乙烯链形成分子内摩擦,使聚乙烯分子产生剪切... 采用基于反应力场(ReaxFF)的分子动力学模拟方法,研究了摩擦界面水分子向超高分子量聚乙烯(UHMWPE)基体扩散和渗透的基本过程.分子模拟结果表明:摩擦过程中,水分子稳定吸附在Fe板表面,并与聚乙烯链形成分子内摩擦,使聚乙烯分子产生剪切变形.当Fe板表面存在纳尺度外凸结构时,其在UHMWPE表面的耕犁作用更为显著,使摩擦界面的内摩擦力显著增加.当摩擦速度增加时,摩擦界面原子温度显著升高.在水润滑条件下,界面水分子逐渐扩散到UHMWPE基体中,引起相邻聚乙烯链之间的原子距离增加,这导致聚乙烯链之间的相互作用强度降低.此外,摩擦界面处还伴随着水分子中氢氧键断裂,并引起相应原子的电荷跃变.此时,水氧原子与Fe原子形成Fe―O化合物,且具有与Fe2O3相似的晶体结构.水分子扩散进入UHMWPE内时,还引起其周围聚乙烯分子的电荷发生改变,造成UHMWPE表层原子电荷分布不均匀. 展开更多
关键词 反应分子动力学模拟 超高分子量聚乙烯 水分子扩散 分子键断裂 电荷转移
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魔芋葡甘聚糖水合层承载及润滑机理的分子动力学模拟
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作者 程启昊 郑庭 +1 位作者 杨刚 张会臣 《高分子学报》 SCIE CAS CSCD 北大核心 2023年第11期1784-1794,共11页
魔芋葡甘聚糖(KGM)溶液具有优良的承载和润滑能力,为研究其微观作用机理,采用分子动力学模拟的方法,阐明了魔芋葡甘聚糖水合层的形成过程,探讨其在模拟工况下(压力范围:0~1000 MPa、剪切速度范围:0.02~1 nm/ps)的承载能力及剪切特性,揭... 魔芋葡甘聚糖(KGM)溶液具有优良的承载和润滑能力,为研究其微观作用机理,采用分子动力学模拟的方法,阐明了魔芋葡甘聚糖水合层的形成过程,探讨其在模拟工况下(压力范围:0~1000 MPa、剪切速度范围:0.02~1 nm/ps)的承载能力及剪切特性,揭示了其润滑机理.模拟结果表明,魔芋葡甘聚糖分子与水分子通过氢键形成水合分子,由于吸附效应,水合分子向铁原子层表面吸附聚集构成水合层作为承压载体;在剪切作用下,界面处吸附的魔芋葡甘聚糖水合分子层削弱了水分子与铁原子层的相互作用,从而降低界面剪切应力;魔芋葡甘聚糖分子数过多时,液相层中间部位的魔芋葡甘聚糖浓度增加,造成其周围液相层流动阻力增大,导致界面剪切应力增大.随着剪切速度的增加,KGM与水分子间的氢键随之减弱,从而削弱了KGM水合分子对水分子的约束,导致界面剪切应力随剪切速度的增大而增大. 展开更多
关键词 分子动力学模拟 魔芋葡甘聚糖 承载机理 润滑机理
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