[发明专利]基于分子动力学的纳米单液滴撞击弯曲固体表面的测试方法

说明书

本发明公开了一种基于分子动力学的纳米单液滴撞击弯曲固体表面的测试方法，其特征在于，包括以下步骤：一、在lammps软件中建立计算模型，设定模拟体系的初始坐标和初始速度，选定合适的模拟时间步长；二、选取合适的原子间相互作用势函数(力场)，进行受力的计算；三、选择合适边界条件和外界条件；四、利用Velocity‑verlet算法和Langevin控温法进行数值计算；五、将计算结果导入ovito软件中，获取液滴运动抓拍。本发明专利实现了液滴撞击弯曲表面后发生变形、流动以及湿润的流动特征与铺展特性的获得。

技术领域

本发明涉及纳米润湿技术领域，特别是涉及一种基于分子动力学的纳米单液滴撞击弯曲固体表面的测试方法。

背景技术

在过去几十年中，对湿润现象的动力学分析以及数值模拟一直是流体力学、化学和工程学科前沿的研究主题，例如喷墨打印、飞机抗冰以及热能交换等。在工程应用中，大多数壁面是弯曲的，例如发动机缸壁。此外，在自然界中，植物弯曲的叶片上具有很多球头型的微米级表面绒毛，因此当液滴撞击在弯曲表面发生变形、流动以及湿润现象具有很大的研究价值。

近年来，宏观液滴在固体表面的铺展特性受到了广泛关注，关于液滴撞击后的某些流动机理解释被相继提出。然而对于微米级和纳米级液滴的撞击动力学行为还不能被完全理解，这因为纳米级液滴的撞击实验很难实现。此外，纳米级流体与壁面的相互作用涉及复杂的动态受力过程和难以认知的物理性质会引起不同于宏观尺度下流体的行为和性质；而分子动力学方法是一种计算机模拟实验方法，该方法不仅可以得到原子的运动轨迹，还可以观察到原子运动过程中各种微观细节。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本发明提供了一种基于分子动力学的纳米单液滴撞击弯曲固体表面的测试方法，该方法为着重于纳尺度下液滴撞击弯曲壁面铺展特性的一般规律和机制研究提供一种精确的数值手段，实现了液滴撞击弯曲表面后发生变形、流动以及湿润的流动特征与铺展特性的获得，为了解纳微流体的流动特征，控制纳液滴在纳微表面润湿性能提供了数值模拟手段。

本发明提供了一种基于分子动力学的纳米单液滴撞击弯曲固体表面的测试方法包括如下步骤：

(1)在lammps软件中建立计算模型，设定模拟体系的初始坐标和初始速度，选定合适的模拟时间步长；

(2)选取合适的原子间相互作用势函数(力场)，进行受力的计算；

其中，原子间相互作用势函数采用Lennard-Jones势函数：

式中，σ表示两体相互作用的势能为零时的两体距离，ε表示势阱深度，并且截断半径r_c＝3σ；

(3)选择合适边界条件和外界条件；

(4)利用Velocity-verlet算法和Langevin控温法进行数值计算；

其中，Velocity-verlet算法为：

式中，f_i(t)、r_i(t)分别为原子i在时刻t的合力矢、坐标矢；

(5)将计算结果导入ovito软件中，获取液滴运动抓拍。

所述步骤(1)中建立计算模型：一个长方形盒子，该盒子包括一个单纳米球形液滴和其下部的球形基板组成。基板的大小要满足液滴铺展过程中，盒子留有一定真空层；

所述步骤(1)中初始速度：在给定T的温度下，水分子的初始平衡速度使用高斯分布随机产生，满足Maxwell-Boltzmann速度分布函数：

式中，m为每个原子的质量，k_B为Boltzmann常数；