تاثير نيروي ديواره بر توزيع دما در نانو كانالهاي حاوي سيال لنارد-جونز به روش شبيه‌سازي ديناميك مولكولي

The effect of wall force field on temperature distribution in nanochannel containing Lennard-Jones fluid by molecular dynamic simulation

در اين مقاله انتقال گرما در گاز آرگون بين دو ديوار ساكن از كانال با ابعاد نانو، با استفاده از روش ديناميك مولكولي بررسي شده است. مقايسه بين دقت حل دو‌بعدي و سه‌بعدي نشان مي‌دهد كه براي مدل كردن اثر نيروي ديواره بر انتقال گرما، دقت حل ديناميك مولكولي دوبعدي كافي نيست. حل دوبعدي مقدار چگالي و دما در نزديكي ديوارها را كمتر از مقادير مربوط به حل سه‌بعدي پيش‌بيني مي‌كند. در نظر گرفتن اثر ابعاد ميدان بر دقت نتايج حل گرمايي نشان داد كه ابعاد كانال در راستاهاي تناوبي را بايد حداقل به اندازه‌ي فاصله پويش آزاد مولكولي گاز در نظر گرفت تا نتايج مستقل از ابعاد ميدان گردد. توزيع خواص سيال در عرض كانال نشان مي‌دهد كه مستقل از اختلاف دماي اعمال شده، وجود نيروي ديواره پروفيل دما و چگالي در گاز را تا فاصله‌اي حدود يك نانومتر از سطح ديوار به شدت تغيير مي‌دهد. علاوه بر تغييرات چگالي ناشي از وجود نيروي ديوار در اين ناحيه، اختلاف دما بين ديوارها نيز باعث تغيير در توزيع چگالي در مجاورت ديوار مي‌شود. افزايش اختلاف دماي دو ديوار به بيشتر از 20 درجه كلوين، تغيير چگالي قابل توجهي به مقدار بيشتر از 5 درصد را نسبت به توزيع چگالي گاز در حالت ديوار همدما بوجود مي‌آورد. تغييرات چگالي به وجود آمده در اثر اختلاف دما در مجاورت ديوار، منجر به عدم تطابق پروفيل توزيع دماي بي‌بعد و ضريب انتقال حرارت هدايتي محاسبه شده در گاز براي اختلاف دماهاي مختلف مي‌شود.

In this paper heat transfer through argon gas between two stationary walls of a nano sized channel is investigated by the use of molecular dynamic method. Comparison between two and three-dimensional solutions shows that for accurate modeling of wall force field on heat transfer, the accuracy of two-dimensional molecular dynamic solution is inadequate. Two-dimensional solution predicts the value for density and temperature less than the value of three-dimensional solution near each wall. Considering the effect of domain size on accuracy of thermal solution shows that domain size should be extended for at least one mean free path in periodic direction to have domain independent results. Distribution of fluid properties in the width of the channel shows that independent of implemented temperature difference, presence of the wall force field changes the temperature and density profile in one nanometer from each wall drastically. In addition to variation in density due to the wall force filed, temperature difference between the walls causes additional variation in density profile near walls. Increasing the wall’s temperature difference more than 20 degrees, makes a notable density variation of more than 5 percent in comparison with gas density distribution in the isothermal walls case. Variation in density near walls due to temperature differences leads to mismatch between the non-dimensional temperature profiles and calculated thermal conductivity coefficient of the gas for various temperature differences.