Molecular Dynamics Simulations of Slip on Curved Surfaces
Simulations Moléculaires Dynamiques du glissement sur des surfaces incurvées
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Department of Chemical Engineering, Imperial College London, London
SW7 2AZ, – UK
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Department of Chemistry, University of Cambridge, Lensfield Road, Cambridge
CB2 1EW – UK
e-mail: daniel.ross08@imperial.ac.uk - esb30@cam.ac.uk
* Corresponding author
We present Molecular Dynamics (MD) simulations of liquid water confined within nanoscale geometries, including slit-like and cylindrical graphitic pores. These equilibrium results are used for calculating friction coefficients, which in turn can be used to calculate slip lengths. The slip length is a material property independent of the fluid flow rate. It is therefore a better quantity for study than the fluid velocity at the wall, also known as the slip velocity. Once the slip length has been found as a function of surface curvature, it can be used to parameterise Lattice Boltzmann (LB) simulations. These larger scale simulations are able to tell us about how fluid transport is affected by slip in complex geometries; not just limited to single pores. Applications include flow and transport in nano-porous engine valve deposits and gas shales. The friction coefficient is found to be a function of curvature and is higher for fluid on convex surfaces and lower for concave surfaces. Both concave and convex surfaces approach the same value of the friction coefficient, which is constant above some critical radius of curvature, here found to be 7.4 ± 2.9 nm. The constant value of the friction coefficient is 10,000 ± 600 kg m−2 s−1, which is equivalent to a slip length of approximately 67 ± 4 nm.
Résumé
Nous vous présentons ici des simulations Moléculaires Dynamiques (MD) d’eau liquide confinée dans des géométries nanométriques, comprenant des pores graphitiques cylindriques et semblables à une fente. Ces résultats équilibrés sont utilisés pour calculer des coefficients de frottement, qui à leur tour peuvent être utilisés pour calculer des longueurs de glissement. La longueur de glissement est une propriété matérielle indépendante du débit de fluide. Elle représente donc une meilleure quantité à étudier que la vitesse de fluide contre le mur, également connue sous le nom de vitesse de glissement. Une fois que la longueur de glissement a été trouvée, en fonction de la courbure de la surface, elle peut être utilisée pour paramétrer les simulations de Lattice Boltzmann (LB). Ces simulations sur une échelle plus grande nous indiquent comment le transport de fluide est affecté par le glissement dans des géométries complexes, pas seulement limitées à des pores uniques. Les applications comprennent l’écoulement et le transport dans des dépôts de soupape de moteur nano-poreux et des schistes de gaz. Le coefficient de frottement dépend de la courbure et est supérieur pour les fluides passant sur des surfaces convexes et inférieur pour des surfaces concaves. Les surfaces concaves et convexes approchent de la même valeur de coefficient de frottement. Cette valeur est constante au-dessus d’un certain rayon de courbure critique, lequel a été défini ici comme étant de 7,4 ± 2,9 nm. La valeur constante du coefficient de frottement est de 10 000 ± 600 kg m–2 s–1, ce qui équivaut à une longueur de glissement d’approximativement 67 ± 4 nm.
© D.A. Ross and E.S. Boek, published by IFP Energies nouvelles, 2016
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