Page 26 - 《真空与低温》2025年第4期

刘俊明等：填料润湿性对 CH 4 -C 2 H 6 -CO 2 流动传热影响的分子动力学模拟 441

T/K
300.0 对比三种流体的温度分布云图可以看到，CH 4
0.8 287.5 的温度发展最为充分，在 Y >0.5 的区域内 CH 4 的温
275.0
0.6 262.5
Z 250.0 度基本接近壁面温度，且温度分布比较均匀。C 2 H 6
0.4 237.5
225.0 次之，CO 2 的低温区域面积最小，传热相对不充分。
0.2
212.5
200.0 从分子层面而言，这种差异与分子量以及分子间作
0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9
Y 用力有关，CH 4 的分子量较小，且与壁面的相互作
（a）t=0 ps
T/K 用力最大，因而与壁面的热量交换更充分。C 2 H 6
300.0 的分子量稍大，与壁面的相互作用力居中，传热效
0.8 287.5
275.0
0.6 262.5 果不如 CH 4 明显。CO 2 分子量更大，与壁面的相互
Z 250.0
0.4 237.5 作用力最小，所以低温分布区域较为局限。在宏观
225.0
0.2
212.5 上，这体现了三种分子不同的热扩散系数和热导率，
200.0
0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 从大到小分别为 CH 4 >C 2 H 6 >CO 2 ，具体的数值可能
Y
（b）t=100 ps 会因为温度和压力的变化而有所不同，但总体趋势
T/K 大致如此。
300.0
0.8 287.5 2.2 润湿性对纳米通道流动传热的影响
275.0
0.6 262.5
Z 250.0 为了研究不同的壁面润湿性对纳米通道内的
0.4 237.5
225.0 流动传热影响规律，本文研究了 α = 0.1、0.5、0.75、1
0.2
212.5
200.0 这四种工况下对应的通道内分子数分布以及温度、
0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9
Y 速度分布情况。
（c）t=200 ps
2.2.1 通道内分子数分布
图 5 通道内流体温度随时间的变化云图 图 7 为三种不同壁面润湿性下（α = 0.1、0.5、1），
Fig. 5 Temperature contour of fluid over time in the channel 纳米通道内分子数（N）在 Z 轴方向的分布情况。

T/K α=0.1
300.0 200 α=0.5
0.8 287.5 α=1.0
275.0
0.6 262.5
Z 250.0 150
0.4 237.5
225.0
0.2
212.5 N
200.0 100
0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9
Y
（a）CH 4 在通道内的温度分布 50
T/K
300.0
0.8 287.5 0
275.0 −2 −1 0 1 2
0.6 262.5
Z 250.0 Z/nm
0.4 237.5
225.0
0.2 图 7 不同壁面润湿性下通道内分子数分布
212.5
200.0
0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 Fig. 7 Molecular distribution in the channel under different
Y
（b）C 2 H 6 在通道内的温度分布 wall wettability conditions

T/K 在近壁面区域内存在分子数分布的峰值，这表
300.0
0.8 287.5 明由于壁面金属原子对流体分子的强作用力，流体
275.0
0.6 262.5
Z 250.0 分子在壁面附近聚集。此外，在近壁面区域，分子数
0.4 237.5
225.0 呈现振荡现象，在分子微观结构上体现为分层分布，
0.2
212.5
200.0 如图 8 所示。第一层处于壁面处的流体分子以相对
0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9
Y 稳定、有序的状态分布，已有的研究表明这层流体
（c）CO 2 在通道内的温度分布
分子的晶体结构与壁面金属原子的晶体结构类似，
[16]
图 6 通道内不同流体温度云图 因而被称为“类固体” 。在通道中心区域，分子数分
Fig. 6 Temperature contours of different fluids in the channel 布相对均匀。对于不同的润湿性，通道内分子数分布