充流多壁碳納米管的流體結構相互作用機理研究

《充流多壁碳納米管的流體結構相互作用機理研究》是依託昆明理工大學，由閆妍擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：充流多壁碳納米管的流體結構相互作用機理研究
• 項目類別：青年科學基金項目
• 項目負責人：閆妍
• 依託單位：昆明理工大學

項目摘要

以充流多壁碳納米管系統為研究對象，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，建立多壁碳納米管與泊瀟葉（Poiseuille）內流相互作用的耦合數學模型。採用光滑粒子流體動力學（SPH）與分子動力學（MD）耦合的多尺度方法研究充流多壁碳納米管耦合系統的動力學特性。通過數值模擬和分析，研究驅動壓力、非線性范德華力、粘性剪力、流體動力、管壁流彈性作用力等對耦合系統動力學行為的影響，揭示影響耦合系統穩定性的關鍵因素，探索流動誘發碳納米管振動及其流體與碳納米管相互作用的機理,在機理研究的基礎上尋找表征充流多壁碳納米管系統穩定性的新方法和判據。

結題摘要

大量研究表明碳納米管(CNTs)有望成為納米機械系統的理想貯流、輸流和傳質傳熱元件，在微/納機電系統領域的研究中具有重要的意義。目前關於CNTs固體力學性質和CNTs中流體流動特性研究的文獻不斷增多，但對充流CNTs的耦合特性及穩定性問題的研究還處於初級階段。有鑒於此，本項目以充流多壁碳納米管系統為研究對象，採用Lennard-Jones勢函式理論，藉助廣義哈密爾頓變分原理，建立多壁碳納米管與內流相互作用的耦合數學模型，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, 揭示影響耦合系統穩定性的關鍵因素。 通過該項目資助，研究工作取得了顯著的成效，已發表學術論文8篇，其中SCI收錄5篇，EI收錄3篇。本課題的研究內容和重要成果主要集中在如下幾個方面： （1）建立充流多壁碳納米管耦合系統的數學模型。以充流多壁碳納米管系統為研究對象(以水作為流體介質)，採用Lennard-Jones勢函式理論建立固－固(管壁間)、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，建立基於原子勢的充流多壁碳納米管系統的物理力學模型。 （2）研究耦合系統的動力學行為。通過理論分析和數值模擬，分析不同載荷（驅動壓力、范德華力、流體動力等）作用下充流多壁碳納米管系統動力學特性，結果表明由於范德華力的存在，碳納米管的振動頻率增加，同時，系統的穩定性得到了提高；流速對系統的穩定性影響很大，但是對碳納米管的動力學行為的影響可以忽略不計。 （3）研究溫度場、軸向預應力、小尺度效應對多壁碳納米管的屈曲行為的影響。結果表明臨界屈曲載荷與溫度、小尺度效應和波數有關。隨著軸向波數的增加，小尺度效應的影響逐漸增強；在低溫和室溫條件下軸向屈曲載荷隨著溫度的升高而增加，而在高溫條件下軸向屈曲載荷隨著溫度的升高而降低。 （4）套用多尺度法研究多壁碳納米管的非線性振動,分析初始條件對系統動力學行為的影響。結果表明非線性模態可以分成兩類—耦合模態與非耦合模態，分別對應著系統有內共振和無內共振的情況。進而獲得系統同軸和非共軸振動情況，發現碳納米管的頻率隨著振幅的增加而增加。 本項目的研究達到了預期目標，研究工作取得了顯著成效，在碳納米管與流體的相互作用機理以及充流多壁碳納米管系統穩定性方面做出了一定的貢獻。