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LAMMPS讲解45-纳米流动引言在该专题中将介绍纳米流动的基本模拟过程，其中涉及到的知识点包括：用fix addforce实现泊肃叶流动模拟，如何设置固定层、温控层和自由层，fix ave/chunk计算速度分布、温度分布和密度分布，如何根据速度分布和密度分布计算流体的粘度分布。 我对纳米流动还是很熟悉的，有想在这个方向上发表论文的可以联系我（微信：baolu_yao） 在1990开始分子动力学模拟被大量用来纳米流动条件下的模拟研究。研究者主要关注两个方面的性质：边界滑移和热阻。采用的流动形式也主要有两种：库艾特流动和泊肃叶流动。其流动构型都是两无限大平行平板之间的定常层流，如图1所示。库艾特流动是上下两个平板以相同的速度做相对平行运动以剪切流体，因此又称为剪切驱动流；泊肃叶流动是两个平板静止不动，对流体施加一个固定的压差来驱动流体，因此又称为压差驱动流。为什么大家都采用这两种流动呢？主要原因是（1）这两种流动都是层流，流动简单可从N-S方程求出理论解，方便进行模拟结果和理论进行对比；（2）分子动力学模拟的长度尺度有限都是在纳米尺度，模拟出的流动雷诺数很小，流动是层流。（3）对于研究边界滑移和热阻，这两种流动已经足够了。为什么可以采用分子动力学研究边界滑移和热阻可以取得令人信服的结果？因为分子动力学可以在原子尺度上解析流动的速度分布，这对特征尺度在纳米级的滑移和热阻特性研究可以保证足够的精度。再加上以简单液体为研究对象，从力场和模拟设置都可以保证足够的准确度。 近年来纳米流动受到了更多的关注。主要原因是研究者在纳米尺度上发现了新的流动现象，特别是在能量转换，离子输运和纳米固液阻力方面。著名的学者Lyderic Bocquet是纳米流动的主要研究者，其在nature等期刊上这几年已发表了多篇重要的论文。其发表在nature materials上的综述更是对纳米流动做了重要的总结和展望，大家可以看看。论文信息是Nanofluidics coming of age，https://www.nature.com/articles/s41563-020-0625-8。 分子动力学对于研究纳米流动是特别合适的，不管是时间尺度还是空间尺度都可以落在分子动力学模拟的范围内。紧跟Lyderic Bocquet的实验研究结果，从模拟的角度去研究更多的问题，可以在短时间内发表一些论文。特别的，采用QMMM方法甚至可以去研究其实验中涉及量子力学的部分。 纳米流动的建模相对简单。在这个领域内研究的介质大多是水。使用moltemplate采用润湿专题中的建模方法可以方便的获得两层固体平板之间一层水的模型。这也是纳米流动最常用的模型。在实际研究中还可以在水中添加离子并研究电渗流的流动问题。下面采用简单液体对纳米流动的设置做一下介绍。
本例采用简单液体研究了泊肃叶流动条件下，粘性加热后固液之间的传热。液体和固体都通过lj/cut进行描述。流动达到定常后流体的温度分布和速度分布不在变化，但是会在固液界面处出现速度滑移和温度跳跃。本例可直接用来研究这些现象。液体在固体表面流动时的无滑移边界条件在流体力学发展之初就是一个假设，随着观测手段的进步，研究发现无滑移边界不一定成立。但是，同时发现即使存在滑移，滑移长度的大小也在纳米量级对宏观流动的影响可以忽略。然而，纳米流动的出现使得滑移边界条件再次进入人们的视野。 分子动力学在研究滑移的时候液体的流动剪切率相较于实验的剪切率特别高，因此会产生明显的粘性加热效应，所以在模拟时采用温度控制的方法研究等温流动时的滑移现象。这种方法的合理性在于温度控制不影响流动同时流动的特征尺度很小，流动始终处于层流阶段，并且中心区的流动符合理论解。因此，大量论文采用这种方法来研究流动滑移并取得了丰硕的成果。之所以设置较高的剪切率，是因为分子动力学模拟的时间尺度在ns级，为了能在短时间内统计平均获得光滑的曲线，需要流动速度很高，才能将流体的宏观速度从热运动中提取出来。尽管剪切率特别高，但是流动仍符合线性响应和理论解。 在实际应用场景或实验中，当纳米流动器件作为散热器时，粘性加热效应不明显，同时热从外部向液体内部传导。那么怎么利用分子动力学同时研究滑移和热传递现象呢？就是利用大剪切率下的粘性加热效应，即不对液体施加温度控制，只对壁面施加温度控制，这样热就由液体内部向壁面传导。此时获得的固液之间的热传导特性足以反映由壁面向液体的热传导特性。这样就耦合了热传导和滑移。 研究因素 润湿性（壁面材质（晶格取向，热导率，晶格大小）），规则或不规则沟槽（超疏水表面），表面电荷，石墨烯修饰，界面剪切率，界面温度梯度，系统规模（包括通道高度，壁面切向面积），通道形式（双排，单排） 观测量 滑移长度，热阻长度，结构因子，密度法向一维分布，密度切向二维分布，固液距离或固液界面厚度 研究目标 设计高效纳米流动散热器件。纳米流动散热器件因为表面积体积比很高因此会具有很高的散热效果。纳米流动的研究结果可直接用在微流动散热器件的设计中（系统规模研究可证实）。查阅文献找到纳米流动或微流动散热器件设计的可能性。找到可行的技术方案或实际用在研究背景中。如果可行，CPU等芯片的散热是个很好的应用场景。要是能做个实验就完美了。这么多的研究内容够你发一堆论文了。 通过改变固液相互作用强度和驱动力的大小研究不同润湿性表面和驱动强度下的界面滑移和温度跳跃，获得滑移长度和热阻长度随润湿性和驱动力的变化规律。 在LAMMPS中泊肃叶的流动通过对所有流体原子施加一个固定的力来实现模拟。模拟的过程分为三个阶段。第一阶段不对流体施加驱动力，让系统自然弛豫达到热力学平衡。第二阶段，对流体原子施加驱动力并跑一段时间让流动达到定常。第三阶段，通过统计平均获得流体的速度，温度和密度分布。本例中的模拟细节在in文件中进行详细注释。下面三个图是密度，速度和温度分布。
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