SUPERVISOR
Ahmad Reza Pishevar,Ahmad-Reza Azimian
احمدرضا پیشه وراصفهانی (استاد مشاور) احمدرضا عظیمیان (استاد راهنما)
STUDENT
Mahdi Sahebi
مهدی صاحبی بهنمیری
FACULTY - DEPARTMENT
دانشکده مهندسی مکانیک
DEGREE
Doctor of Philosophy (PhD)
YEAR
1387
TITLE
Molecular dynamics investigation of thermal creep and acceleration driven flow in convergance-divergance nanopores
The flow of liquid argon inside convergance-divergance nanopores as asymmetric nanopores is investigated by the use of molecular dynamics. The investigation is divided into two major parts. The first part deals with the fluid flow induced by an external force inside a conical nanopore and the second part deals with the thermal creep flow. In the first part, the geometrical effects of a rough asymmetric conical nanochannel on the mass flux of a simple liquid flow are studied. Both static and dynamic driving forces are applied to each fluid atom to form a so-called “acceleration or force driven flow”. The mean-zero time-dependent periodic dynamic force is applied to induce a net flow as a ratchet. The results show that when the static driving forces are strong enough, there is a symmetry break-down between mass fluxes in divergent and convergent channels. Thus, by applying a dynamic force a net mass flux is induced (toward the convergent direction). In this paper the effects of three different geometrical parameters are investigated. Simulation results indicate that (i) if the radiuses of the two sides of the channel are kept constant, there is a certain length in which the net flux induced by ratchet motion has a maximum value; (ii) when the length and the radius of the smaller area of the channel are kept constant, increasing the other side radius generally increases the flux in ratchet motion and (iii) increasing channel length in constant apex angle increases the flux in ratchet motion. The simulation results are justified with molecular principals to provide a better understanding of flow in such nanochannels. The results can be applicable in designing and optimizing nanofluidic devices such as thermocapillary pumps, ion-pumps and Brownian pumps. As mentioned earlier the phenomenon of thermal trairation (or creep) of a liquid inside a channel is investigated too. As the thermal creep phenomenon is a new field in scientific studies, the author tries to clarify the mechanisms of liquid thermal creep phenomenon in the thesis. It is shown that the main reason for this phenomenon is the fluid layering effect near the wall which has a temperature gradient along itself. It is shown that this effect could lead to an unbalance of the fluid pressure near the wall. This heterogeneity produces a surface force near the wall to drive the flow. It is shown that this force is affected by the amount of thermal gradient, diameter of the nanopore and the solid-fluid intermolecular strength. The more thermal gradient, the shorter diameter of the nanopore and the stronger solid-fluid intermolecular interaction can intensify the thermal creep effect. It is shown that it is possible to design thermal nanopumps via the effect of the thermal creep. The author proposed four layouts to pump the liquid. Two of them are by the use of nanotubes and the others are by the use of conical nanochannels. It is shown that by using conical nanochannels we can pump the liquid continuously even the thermal gradient is symmetric along the channel. In such case it is not necessary to construct the nanochannel with two different materials which is practicaly difficult to make. Keywords Asymmetric nanochannels, molecular dynamics, ratchet effect, liquid thermal creep, thermal nanopumps.
رساله حاضر به بررسی و تحلیل رفتار جریان مایع آرگون در نانوکانال های مخروطی شکل به عنوان یک نانوکانال نامتقارن می پردازد. نظر به اهمیت فهم رفتار جریان سیال در نانوکانال?ها رساله حاضر این مساله را با استفاده از روش شبیه سازی دینامیک مولکولی که قابلیت های خود را در تحلیل رفتارهای پیچیده حوزه نانوجریان به اثبات رسانده است، انجام می دهد. این بررسی ها با استفاده از نرم افزار لمپس انجام شده اند. بررسی های یاد شده تحت دو عنوان کلی به انجام رسیده اند. عنوان نخست مربوط به جریانی است که به وسیله یک نیروی خارجی به حرکت در می آید و عنوان دوم مربوط به جریان خزش گرمایی، که سیال را به وسیله گرادیان دما به حرکت در می آورد، است. در مورد جریان با محرک خارجی، اثرهایی که تغییر پارامترهای هندسی نانوکانال در دو حالتِ نیروی ثابت و نوسانی زمانمند بر دبی عبوری می گذارد، مورد مطالعه واقع شده است. نتایج نشان می دهد هنگام اعمال نیروی ثابت، اگر مقدار این نیرو از حد خاصی بیشتر شود، خاصیت جهتی کانال آشکار می شود. یعنی دبی عبور کننده از میان مخروط همگرا (دبی منفی) با دبی عبور کننده از میان مخروط واگرا (دبی مثبت) متفاوت و از آن بیشتر می شود. وقتی پارامترهای هندسی کانال تغییر پیدا می کند، هر یک از دبی های مثبت و منفی تغییرات متفاوتی پیدا می کنند. بررسی های این رساله نشان می دهد این تغییرات را می توان با کمک چهار عاملِ بزرگی نیروی اعمالی، مقدار نیروهای مقاوم در برابر حرکت سیال که از طرف دیواره وارد می شود، انتشار مولکولی سیال و اثر انعکاسی دیواره توجیه کرد. اختلاف دبی مثبت و منفی باعث می شود که هنگام اعمال نیروی نوسانی متغیر با زمان، دبی خالصی در کانال مخروطی ایجاد شود. تاثیر تغییر پارامترهای هندسی کانال بر این دبی خالص مورد مطالعه قرار گرفته است. به طوری که نتایج نشان می دهد که اگر دامنه نیروی نوسانی اعمالی از حد خاصی کمتر باشد، دبی خالص عبوری از کانال صفر است و برای دامنه های بزرگتر، دبی خالص با افزایش شعاع دهانه بزرگتر (در طول ثابتی از نانوکانال) و افزایش طول نانوکانال (در زاویه راس ثابتی از مخروط تشکیل دهنده نانوکانال)، بیشتر می شود. همچنین وقتی شعاع دهانه های نانوکانال، ثابت هستند، طول بهینه ای برای حداکثر دبی خالص عبوری از نانوکانال وجود دارد. مواردی که در مورد جریان خزش گرمایی در این رساله بررسی شده اند شامل مطالعه علت و مکانیزم های موثر در ایجاد پدیده خزش گرمایی برای مایعات محصور در نانوکانال های دارای گرادیان دما و استفاده از این مکانیزم ها برای طراحی نانوپمپ های گرمایی است. مطالعات انجام شده در این رساله نشان می دهد که موثرترین عامل پدیده خزش گرمایی، گرادیان فشاری است که در کناره دیواره جامد به وجود می آید. چهار طرح متفاوت برای پمپ کردن سیال با استفاده از خاصیت خزش گرمایی پیشنهاد شده است. نتایج بررسی های این رساله نشان می دهد که قطر نانومجرا در قدرت جریان خزش گرمایی موثر است. از آنجا که قطر مجراهای نامتقارنِ مخروطی شکل در طول مجرا تغییر می کند، طرح هایی برای بهبود عملکرد پمپ های گرمایی با استفاده از این خاصیت، پیشنهاد شده است. کلمات کلیدی: نانوکانال نامتقارن، جریان متحرک شتابی ، حرکت رتچت، جریان خزش گرمایی، نانوپمپ حرارتی