تحليل مقاومت جريان آب در نانوكانال ها با استفاده از شبيه سازي غير تعادلي ديناميك مولكولي

Flow Resistance Analysis of Water flow in the nanochannels by using Non-equilibrium Molecular Dynamics Simulation

در اين مقاله، از شبيه سازي غير تعادلي ديناميك مولكولي جهت مطالعه تاثيرات خواص سطح و دماي سيستم بر رفتار هيدروديناميكي و انتقال حرارتي مولكول هاي آب در نانو كانال استفاده شده است. در اين مطالعه كه بر اساس شبيه‌سازي ديناميك مولكولي است از پتانسيل الكتريكي و پتانسيل لنارد- جونز براي مدل كردن برهم‌كنش‌هاي بين ذرات استفاده‌ شده است. نيروهاي خارجي به مركز جرم هر يك از مولكول هاي آب در جهت محور xاعمال شده اند تا جريان برقرار شود و سپس رفتار مولكول هاي آب تحليل شده است. براي ساخت مدل ديواره، از دو صفحه جامد سيليسيم استفاده شده است و براي ثابت نگه‌داشتن دماي سيستم از ترموستات نوز- هوور استفاده شده است. شدت برهم كنش ?(??_(Si-W)) بين اتم هاي ديواره و اتم اكسيژن آب، جهت نشان دادن ميزان مختلف خيس شوندگي سطح تنظيم شده است و مقادير بيشتر ?(??_(Si-W)) باعث ايجاد سطحي آب دوست تر مي‌شود. نتايج شبيه-سازي نشان مي دهد كه دماي سيستم و شدت برهم كنش ? ??_(Si-W) در تعيين مشخصات نانو كانال‌ها و مقاومت جريان آب محبوس شده مهم است. دراگ مقاومتي در سطح سيال و ديواره با افزايش ميزان خيس شوندگي ديواره ?(??_(Si-W))، افزايش خواهد يافت. همچنين اتلاف حرارتي سيستم با افزايش دراگ مقاومتي در سطح مشترك سيال و ديواره، افزايش مي يابد و درنهايت شار حرارتي سيستم كاهش خواهد يافت.

In this paper, non-equilibrium molecular dynamic simulation has been employed to study the effect of wall interfacial properties and temperature of system on the hydrodynamics and heat transfer of water molecules in a nanochannel. The charges and Lennard-Jones potential are used to model the interactions between particles. The external forces are applied to the mass center of every water molecule in the x direction to create its flow and the thermal and hydrodynamics behavior of the water molecules was then analyzed. To construct the wall pore model, two silicon solid surfaces were used and the temperature of system was controlled by utilizing Nose-Hoover thermostat. The interaction strength ?(??_(Si-W)) between wall atoms and waterʹs oxygen atoms were adjusted to indicate different surface wettability or wall–fluid interaction. The higher value of ?(??_(Si-W)) causes the higher hydrophilic wall interface. The simulation results showed that the interaction strength (?_(Si-W) ) and temperature of system are important in determining the nanorheology of the nanochannel and flow resistance of the confined water. The drag resistance at the solid–fluid interface will increase with increasing the hydrophilicity of walls ?(??_(Si-W)). Also, the heat dissipation of system will increase with increasing the drag resistance at the solid–fluid interface and as a result, the heat flux of system will decrease.