Page 28 - 《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 443

由图 10 可以看出，在三种不同的润湿性条件 类似地，以温度阶跃长度表征固液界面处的温
下，速度随 Z 值的变化都呈现出中心区域速度最大， 度阶跃程度，在一定程度上可以衡量固液界面的热
近壁面处速度迅速降低至 0 附近的趋势。在不同 阻大小。温度阶跃长度的表达式如（5）所列。
的 Y 坐标下，速度分布基本一致。对于不同的壁面 ∆T s
l k = （5）
/
润湿性，当润湿性增大，速度峰值降低，这表明由于 ∂T ∂z
wall
壁面润湿性增加，壁面对流体分子的作用力增大。 式中： l k为温度阶跃长度； ∆T s为近壁面流体温度与
这一作用力体现为壁面金属原子对流体分子的吸 壁面温度之差； 为壁面处流体的温度梯度。
∂T/ ∂z
wall
引力，阻碍了流体流动，影响速度的进一步发展，从 图 11 展示了不同壁面润湿性下的速度滑移与
而影响对流过程。 温度阶跃情况。对于速度滑移，当壁面润湿性较小

2.2.3 速度滑移与温度阶跃 （α = 0.5）时，通道内不同 Y 坐标的近壁面处均出现
固液界面处的速度滑移程度通常用速度滑移 速度滑移现象；α = 0.75，速度滑移长度减小；α = 1，
长度表征，由 Navier 边界条件 [17] 可以得出速度滑 速度滑移长度为负值。由此可见，增大壁面润湿性，
移长度的表达式。 近壁面流体将由速度滑移向锁定边界条件过渡，在

u s 特定润湿性下，界面处为无滑移边界条件。速度滑
l s = （4）
/

∂u ∂z
wall 移长度的变化趋势体现了壁面润湿性对流动的影
式中： l s为速度滑移长度； 为壁面处流体的速度； 响，即壁面润湿性增大，壁面金属原子对流体分子
u s

为壁面处流体的速度梯度。流体在纳米
∂u/ ∂z 的吸引力增强，阻碍流体的速度发展。对于温度阶
wall
通道内流动时，流体的黏性力与壁面对流体的吸引 跃，当壁面润湿性较小（α = 0.5）时，通道内近壁面
力的相对大小将决定固液界面处的滑移情况 。 处存在较大的温度阶跃长度，这表明固液界面处存
[18]
当黏性力大于壁面吸引力， l s > 0，界面处为滑移边界 在较大的传热热阻；当 α 为 0.75 和 1 时，温度阶跃
条件；当黏性力小于壁面吸引力， l s < 0，界面处出现 长度减小。由此可见，增大壁面润湿性，将有效减
负滑移现象，此时为锁定边界条件；当黏性力与壁面 小温度阶跃长度，从而减小固液界面的传热热阻，
吸引力大小相当， l s = 0，界面处为无滑移边界条件。 强化通道内热传导过程。

0.008
0.000 4 α=0.50 α=0.50
α=0.75 0.007 α=0.75
0.000 3 α=1.00 α=1.00
0.006
0.000 2 0.005
l s /mm 0.000 1 l k /mm 0.004

0 0.003
−0.000 1 0.002
0.001
−0.000 2
0
0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8
Y Y
（a）速度滑移长度 （b）温度阶跃长度

图 11 不同壁面润湿性下速度滑移与温度阶跃
Fig. 11 Hydrodynamic and thermal slip under different wall wettability conditions

3 结论 温度逐渐趋向均匀，流体温度充分发展区域与壁面
逐步达到热平衡。不同流体分子由于分子量和与
本文采用分子动力学方法建立了 CH 4 -C 2 H 6 -CO 2
三元流体在填料微小通道内的分子模型，研究了不 壁面的相互作用力的差异，表现出不同的传热效果。
同填料表面润湿性对流动传热的影响，得出如下 CH 4 的热扩散系数和热导率最高，与壁面的热量交
结论： 换最充分，传热效果优于 C 2 H 6 和 CO 2 。
（1）通道内流体温度随时间发展过程中，流体 （2）通道内流体在壁面作用力的影响下呈现出