najoNanosystems: Physics, Chemistry, MathematicsНаносистемы: физика, химия, математика2220-80542305-7971Университет ИТМОnajo-1185Research ArticlePHYSICSФИЗИКАSimulation of flows in nanochannels by the molecular dynamics methodМоделирование течений в нанокластерах методом молекулярной динамикиРудякВ. Я.RudyakV. Ya.

Новосибирск

Head of Department; Leading Researcher; Doctor of Science, Professor

Novosibirsk

valery.rudyak@mail.ruБелкинА. А.BelkinA. A.

Новосибирск

Associate Professor; Senior Researcher; PhD, Associate Professor

a_belkin@ngs.ruЕгоровВ. В.EgorovV. V.

Новосибирск

Assistant Professor

v.v.egorov@bk.ruИвановД. А.IvanovD. A.

Новосибирск

Assistant Professor; Engineer

divanov@list.ruНовосибирский Государственный Архитектурно-Строительный Университет (Сибстрин)РоссияNovosibirsk State University of Architecture and Civil Engineering; Kutateladze Institute of Thermophysics, Siberian Branch of the RASRussian FederationНовосибирский Государственный Архитектурно-Строительный Университет (Сибстрин)РоссияNovosibirsk State University of Architecture and Civil EngineeringRussian Federation20111808202524100112Copyright © Rudyak V.Y., Belkin A.A., Egorov V.V., Ivanov D.A., 20252025Рудяк В.Я., Белкин А.А., Егоров В.В., Иванов Д.А.Rudyak V.Y., Belkin A.A., Egorov V.V., Ivanov D.A.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://nanojournal.ifmo.ru/jour/article/view/1185

On the basis of molecular dynamics method the algorithm for the first time enables to simulate a plane flow in nanochannels with a pressure drop is proposed. Interaction between molecules of the fluid is simulated by the potential of hard spheres or the Lennard-Jones potential. The properties of nanoflows are studied. It is shown that the structure of fluids in nanochannels differs significantly from its structure in the bulk. Data on the dependence of friction coefficient on the Knudsen and Reynolds numbers are presented. It is established that the pressure drop depends strongly on the accommodation coefficients (for the fluid of hard spheres) or the parameters of the interaction of fluid molecules with molecules of the wall (for the Lennard-Jones fluid).

На основе метода молекулярной динамики предложен алгоритм, впервые позволяющий моделировать плоское течение флюида в наноканалах с перепадом давления. Взаимодействие молекул флюида моделировалось потенциалом твердых сфер или потенциалом Леннард-Джонса. Изучены свойства нанотечений. Показано, что структура флюида в наноканале существенно отличается от его структуры в объеме. Представлены данные о зависимости коэффициента трения флюида на стенке от чисел Кнудсена и Рейнольдса. Установлено, что падение давления существенно зависит от коэффициентов аккомодации (для флюида твердых сфер) или от параметров взаимодействия молекул стенки с молекулами флюида (для флюида Леннард-Джонса).

наноканалыпадение давлениясопротивление тренияметод молекулярной динамикиструктура жидкостиnanochannelspressure dropfriction head lossmolecular dynamics methodfluid structureРабота выполнена при частичной поддержке РФФИ (грант № 10-01-00074) и ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России на 2009 — 2013 годы» (Гос. контракты П230, 14.740.11.0579).ReferencesNelson P.H. Pore-throat sizes in sandstones, tight sandstones, and shales // AAPG Bulletin. — 2009. — V. 93(3). — P. 329-340.Nelson P.H. Pore-throat sizes in sandstones, tight sandstones, and shales // AAPG Bulletin. — 2009. — V. 93(3). — P. 329-340.Рудяк В.Я. Нелокальное решение уравнения Больцмана // ЖТФ. — 1995. — Т. 65(11). — C. 29-40.Рудяк В.Я. Нелокальное решение уравнения Больцмана // ЖТФ. — 1995. — Т. 65(11). — C. 29-40.Bird G.A. Molecular gas dynamics. — Oxford: Clarendon Press, 1976. — 415 р.Bird G.A. Molecular gas dynamics. — Oxford: Clarendon Press, 1976. — 415 р.Karnidakis G., Beskok A., Aluru N. Microflows and nanoflows. — Interdisciplinary Applied Math. 29. Springer Science+Business Media, Inc., 2005. — 817 p.Karnidakis G., Beskok A., Aluru N. Microflows and nanoflows. — Interdisciplinary Applied Math. 29. Springer Science+Business Media, Inc., 2005. — 817 p.Thompson P. A., Robbins M.O. Shear flow near solids: Epitaxial order and flow boundary conditions // Phys. Rev. A. — 1990. — V. 41. — P. 6830-6837.Thompson P. A., Robbins M.O. Shear flow near solids: Epitaxial order and flow boundary conditions // Phys. Rev. A. — 1990. — V. 41. — P. 6830-6837.Koplik J., Banavar J.R., Willemsen J.F. Molecular dynamics of fluid flow at solid surfaces // Phys. Fluids A. — 1989. — V. 1. — P. 781-794.Koplik J., Banavar J.R., Willemsen J.F. Molecular dynamics of fluid flow at solid surfaces // Phys. Fluids A. — 1989. — V. 1. — P. 781-794.Heinbuch U., Fischer J. Liquid flow in pores: Slip, no-slip, or multilayer sticking // Phys. Rev. A. — 1989. — V. 40. — P. 1144-1146.Heinbuch U., Fischer J. Liquid flow in pores: Slip, no-slip, or multilayer sticking // Phys. Rev. A. — 1989. — V. 40. — P. 1144-1146.Гиршфельдер Дж., Кертисс Ч., Берд Р. Молекулярная теория газов и жидкостей. — М.: Иностранная литература, 1961. — 930 с.Гиршфельдер Дж., Кертисс Ч., Берд Р. Молекулярная теория газов и жидкостей. — М.: Иностранная литература, 1961. — 930 с.Xu L., Sedigh M.G., Sahimi M., Tsotsis T.T. Nonequilibrium molecular dynamics simulation of transport of gas mixtures in nanopores // Phys. Rev. Lett. — 1998. — V. 80. — P. 3511-3514.Xu L., Sedigh M.G., Sahimi M., Tsotsis T.T. Nonequilibrium molecular dynamics simulation of transport of gas mixtures in nanopores // Phys. Rev. Lett. — 1998. — V. 80. — P. 3511-3514.Рудяк В.Я., Белкин А.А., Иванов Д.А., Егоров В.В. Моделирование процессов переноса на основе метода молекулярной динамики. Коэффициент самодиффузии // ТВТ. — 2008. — Т. 46(1). — C. 35-44.Рудяк В.Я., Белкин А.А., Иванов Д.А., Егоров В.В. Моделирование процессов переноса на основе метода молекулярной динамики. Коэффициент самодиффузии // ТВТ. — 2008. — Т. 46(1). — C. 35-44.Зубарев Д.Н. Неравновесная статистическая механика. — М.: Наука, 1971. — 415 с.Зубарев Д.Н. Неравновесная статистическая механика. — М.: Наука, 1971. — 415 с.Рудяк В.Я. Статистическая теория диссипативных процессов в газах и жидкостях. — Новосибирск: Наука, 1987. — 271 с.Рудяк В.Я. Статистическая теория диссипативных процессов в газах и жидкостях. — Новосибирск: Наука, 1987. — 271 с.Lauga E., Brenner M.P., Stone H.A. Microfluidics: the no-slip boundary condition // Handbook of Exper. Fluid Dynamics. Ch. 19., N.Y.: Springer, 2007. — P. 1219-1240.Lauga E., Brenner M.P., Stone H.A. Microfluidics: the no-slip boundary condition // Handbook of Exper. Fluid Dynamics. Ch. 19., N.Y.: Springer, 2007. — P. 1219-1240.Ou J., Perot B., Rothstein J.P. Laminar drag reduction in microchannels using ultrahydrophobic surfaces // Phys. Fluids. — 2004. — V. 16(12). — P. 4635-4643.Ou J., Perot B., Rothstein J.P. Laminar drag reduction in microchannels using ultrahydrophobic surfaces // Phys. Fluids. — 2004. — V. 16(12). — P. 4635-4643.Watts E.T., Krim J., Widom A. Experimental observation of interfacial slippage at the boundary of molecularly thin films with good substraite // Phys. Rev. B. — 1990. — V. 41(6). — P. 3466-3472.Watts E.T., Krim J., Widom A. Experimental observation of interfacial slippage at the boundary of molecularly thin films with good substraite // Phys. Rev. B. — 1990. — V. 41(6). — P. 3466-3472.Soong C.Y., Yen T.H., Tzeng P.Y. Molecular dynamics simulation of nanochannels flows with effects of wall lattice-fluid interactions // Phys. Rev. E. — 2007. — V. 76. — 036303.Soong C.Y., Yen T.H., Tzeng P.Y. Molecular dynamics simulation of nanochannels flows with effects of wall lattice-fluid interactions // Phys. Rev. E. — 2007. — V. 76. — 036303.Rudyak V., Belkin A., Egorov V., Ivanov D. Modeling of plane flow with a pressure gradient in a nanochannel // Proc. of 1st European Conference on Microfluidics. Bologna, CHF, 2008, 𝜇FLU08-38.Rudyak V., Belkin A., Egorov V., Ivanov D. Modeling of plane flow with a pressure gradient in a nanochannel // Proc. of 1st European Conference on Microfluidics. Bologna, CHF, 2008, 𝜇FLU08-38.

The authors declare that there are no conflicts of interest present.