磁流变液壁面滑移微观特性的分子动力学模拟
磁流变液(MRF)是一种可控的智能材料，因其独特的磁流变效应，被广泛应用于汽车、航空航天、医疗等领域。磁流变液的剪切流动在实际应用器件中较为常见，但其微观壁面滑移机理却研究较少。本文采用粗粒化分子动力学方法对水与磁性纳米颗粒组成的磁流变液Couette流动进行模拟，探究无磁场与外加匀强磁场条件下磁流变液沿着聚乙烯壁面剪切滑移的微观结构演变、影响壁面滑移特性的因素及其规律。 影响磁流变液壁面滑移特性的主要因素有:剪切速度、磁性纳米颗粒体积分数、磁场强度、壁面势能作用强度等。在无磁场情况下，随着剪切速度（11种无量纲速度V*）的增加，滑移界面附近流体出现分层现象，界面处形成一层润滑层，磁流变液壁面滑移明显，界面处滑移速度增加，而在远离近壁区的主流区出现纳米颗粒团簇现象，剪切应力随剪切速度的增加而增大。随着磁性纳米颗粒体积分数(5％，8％，10％、13％、15％)增大，界面处滑移速度、剪切应力也随之增大，磁流变液与壁面界面处的数密度则不断减小。随着壁面势能系数(0.5、1.0、3.0)的增大，滑移界面处数密度增大，呈现出一层致密的类固体润滑层，因此界面处滑移速度减小，剪切应力随之减小。上述影响壁面滑移因素中，壁面势能作用强度的增强对磁流变液界面处的流体数密度增加的影响最为明显;而剪切速度与磁性纳米颗粒体积分数的增大，均使界面处的流体数密度减小。 边界施加匀强磁场条件下，磁性纳米颗粒形成磁链及簇状结构，链状结构的紧密程度与外加磁场呈正相关，随着磁场强度的增大，形成的磁链、簇状结构越稳定，并且其方向与外加磁场方向相同。 在滑移边界施加磁场后，对磁流变液Couette流动进行磁-力耦合模拟计算。结果表明，磁性纳米颗粒体积分数为10％、磁场强度为140KA/m时，施加剪切作用会破坏施加磁场后形成的长链结构，在壁面处形成许多较短的磁链，剪切应力出现分区现象，当1＜V*＜3时，剪切应力逐渐增大;3＜V*＜7时，剪切应力逐渐减小;V*＞7时，剪切速度增大，将磁链剪断成更多的短链并附着在剪切壁面，导致剪切应力继续增大，拟合得到了剪切速度与滑移长度关系的表达式。且剪切应力大于无磁场时的剪切应力。 施加磁场强度为140KA/m，剪切速度为V*=3条件下，随着磁性纳米颗粒体积分数(5％，8％，10％、13％、15％)增加，磁流变液近壁区数密度越大，界面处滑移速度和剪切应力均随之增大。 与无磁场剪切相似，磁场强度和壁面势能作用强度对磁流变液壁面滑移特性的影响最为明显。耦合场作用时，界面处有一层载液粒子，具有润滑作用，减缓了磁链与壁面之间的摩擦，发生壁面表观滑移。随着磁场强度（40KA/m、140KA/m、240KA/m）增加，滑移界面处的载液粒子减少，磁链与剪切壁面直接接触，与壁面之间的作用力增大，发生壁面真实滑移。 随着壁面势能系数(0.5、1.0、3.0)增大，界面处的载液粒子数密度增大，在界面处形成了致密的类固体润滑层，减缓了磁链与壁面之间的摩擦力，磁链与润滑层间的滑移变得明显，而滑移界面处的滑移速度减小，产生的剪切应力减小。
磁流变液;壁面滑移;微观特性;分子动力学
北京化工大学
硕士
机械工程
何红;何松柏
2021
中文
TB381
2021-09-06（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）