بررسی و شبیه سازی مدل های دیواره و ضرایب انطباقی برای جریان درون نانو کانال ها با استفاده از روش شبیه سازی دینامیک مولکولی

امروزه شبیه سازی های رایانه ای به عنوان ابزاری مناسب در کنار فعالیت های آزمایشگاهی، کمک شایانی به فهم پدیده های فیزیکی می کند. به دلیل محدودیت های آزمایشگاهی در مقیاس میکرو و نانو، علم محاسباتی نانو به عنوان مکمل علوم آزمایشگاهی، محققان را در فهم پدیده ها در مقیاس میکرو و نانو یاری می نماید. در این میان روش شبیه سازی دینامیک مولکولی، به عنوان یک روش معین، در میان روش های شبیه سازی مولکولی، در سال های اخیر مورد توجه محققان قرار گرفته است. در این پژوهش هدف ما شبیه سازی جریان پوازی درون نانو کانال هاست. مهم ترین عامل در به دست آوردن خواص صحیح جریان نزدیک دیواره جامد، شبیه سازی مناسب دیواره و تقابل آن با سیال نزدیک دیواره است. یکی دیگر از عوامل مشخص کننده صحت شبیه سازی، ضرایب انطباق سطح هستند. که در این رساله، تمرکز ما بر روی شبیه سازی دیواره با استفاده از مدل های معرفی شده و به دست آوردن بهترین مدل ها در شرایط مرزی مختلف است. در این رساله هر دو فاز مایع و گاز آرگون در نظر گرفته می شود و نتایج برای آن ها محاسبه می گردد. بدین منظور ابتدا جریان پوازی درون نانوکانال پلاتینی با ذرات مایع و گاز آرگون محصور شده در آن، با اعمال توابع پتانسیل مناسب شبیه سازی می شود، سپس ذرات دیواره از دامنه حل حذف می شوند و به جای آن ها از مدل های تصادفی، به منظور پیش بینی سرعت برگشت ذرات از سطح، استفاده می کنیم. در این شبیه سازی ها در برخی از مدل های ارائه شده، نیاز به دانستن ضریبی به نام ضریب انطباقی خواهیم داشت که این ضرایب از شبیه سازی جریان با استفاده از مدل دیواره واقعی محاسبه می شوند. بدین دلیل، این ضرایب از شبیه سازی جریان با در نظر گرفتن دیواره واقعی، محاسبه می شوند و در شبیه سازی جریان پوازی با اعمال مدل های دیواره تصادفی، قرار داده می شوند. در نهایت هر یک از شبیه سازی ها یا به عبارت دیگر، نتایج مدل های تصادفی دیواره را با نتایج دیواره واقعی، مقایسه می نماییم. نتایج مهم و کاربردی از این تحقیق و پژوهش به دست آمد که مهم ترین آن ها، آن است که در این گونه شبیه سازی ها با توجه به کاهش ذرات دامنه حل، زمان شبیه سازی را کاهش می یابد، در حالی که خواص سیال بدون کمترین تغییری محاسبه می شود. با توجه به گسترش روزافزون استفاده از نرم افزارهای منبع آزاد و رویکرد مثبت محققان نسبت به این گونه بسته های نرم افزاری، شبیه سازی های مولکولی نیز پیشرفت قابل توجهی در این زمینه داشته است، یکی از بسته های نرم افزاری مهم و پرکاربرد، بسته نرم فزاری lammps است، پیشرفت این بسته به گونه ای بوده که در سه سال اخیر بالغ بر صدها کد توسط محققان دانشگاه های مختلف بدان اضافه شده است. در این رساله نیز از این بسته نرم افزاری به همراه اضافه نمودن کدهای مورد نیاز در آن (مدل های دیواره و محاسبه ضرایب انطباقی) با استفاده زبان برنامه نویسی c++ و مطابق با قواعد کتابخانه mpi (همسو با کدهای پردازش موازی در lammps)، در پیشبرد اهداف پژوهش استفاده می گردد.