基於原子勢的輸液多壁碳納米管系統動力學特性研究

《基於原子勢的輸液多壁碳納米管系統動力學特性研究》是依託昆明理工大學，由閆妍擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：基於原子勢的輸液多壁碳納米管系統動力學特性研究
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：閆妍
• 依託單位：昆明理工大學

項目摘要

以輸液多壁碳納米管系統為研究對象(以水作為流體介質)，將其分為三個部分，即多壁碳納米管，被管壁吸附的多層水分子層（多層水殼）和管道中心的泊瀟葉流。系統考慮固體、液體以及固液界面的主要納觀尺度效應，採用Lennard-Jones勢函式理論建立固－固(壁間)、流－流(流體層間)、流－固(流體層與管壁)層間原子的相互作用能表達式，獲取層間非線性范德華力，藉助廣義哈密爾頓變分原理，建立基於原子勢的輸液多壁碳納米管系統的物理力學模型。通過理論分析和數值模擬，分析不同載荷（驅動壓力、非線性范德華力、粘性剪力、流體動力等）作用下輸液多壁碳納米管系統動力學特性。揭示影響系統穩定性的關鍵因素，探索流動誘發碳納米管振動及流體與碳納米管相互作用的機理,尋找表征輸液多壁碳納米管系統穩定性的新方法和新判據。

結題摘要

碳納米管（CNTs）在有望成為先進複合材料理想增強體的同時，也有望成為納米輸送系統的理想貯流、輸流和傳質傳熱元件。然而輸液CNTs系統的動力學特性，人們了解甚少，因此探索輸液CNTs系統動力學行為是非常必要的。為此，本項目以輸液多壁碳納米管系統為研究對象(以水作為流體介質)，將其分為三個部分，即多壁碳納米管，被管壁吸附的多層水分子層（多層水殼）和管道中心的泊瀟葉流。藉助廣義哈密爾頓變分原理，建立基於原子勢的輸液多壁碳納米管系統的物理力學模型。通過理論分析和數值模擬，分析不同載荷作用下輸液多壁碳納米管系統動力學特性，揭示影響系統穩定性的關鍵因素。 研究工作取得了顯著的成果，發表學術論文5篇，其中SCI收錄4篇，（兩篇為中科院JCRⅠ區論文），EI收錄1篇；已受理髮明專利2項；撰寫學術專著1本《輸流多壁碳納米管的動力學特性研究》（正在出版過程中，預計2016年6月出版）。本項目的研究成果主要集中在以下3個方面： （1）建立輸液多壁碳納米管耦合系統的數學模型，考察范德華力等參數對系統動力學行為的影響。結果表明水流速度對碳納米管的動力學行為影響很小，徑向振動不能從管道中心的流體有效的傳遞給碳納米管。此結果再次驗證了水層為剛性殼體這個假設的合理性，隨著流速的增加，系統出現分叉現象，碳納米管與水殼之間存在的范德華力使碳納米管的振動頻率增加，而且首次發現范德華力可以改變系統分叉類型。 （2）基於非局部各向異性彈性殼模型研究碳納米管在水中的軸對稱振動。結果表明流體對環向振動頻率無影響，當直徑相同時其徑向呼吸頻率從低到高分別為是鋸齒形，手性和扶手椅型碳納米管，然而，頻率的差異隨著直徑的增加而減小；此外，軸對稱的徑向、縱向和環向振動頻率對於半徑和小尺度效應非常敏感，但受手性的影響較小；最後，我們發現局部碳納米管殼模型會導致過高地估計振動頻率。 （3）基於修正的歐拉梁模型和Galerkin數值離散方法研究靜電力驅動下的雙壁碳納米管的非線性振動。結果表明較大的長度和靜電禁止係數會導致較小的吸合電壓；隨著電壓的增加，兩端固定雙壁碳納米管的振幅會出現跳躍現象，且它的振幅與吸合電壓值遠遠高於懸臂碳納米管；最後，范德華力的存在使得兩管處於同軸振動狀態。 本課題的研究在於探索流體與碳納米管的相互作用機理及輸流碳納米管系統的穩定性，支撐微納機電系統的發展。