理论教育 微通道间流体的流动:数学模型与电粘性效应研究

微通道间流体的流动:数学模型与电粘性效应研究

时间:2023-11-07 理论教育 版权反馈
【摘要】:本章研究平行板纳米管道内定常 (/t = 0)、常压力梯度 (dp0/dx) 驱动流的电粘性效应和能量转换效率. 管道内电解质溶液的密度、粘度和电导率分别为ρ, 和 σ. 管道长度和宽度远远大于高度2h. 根据双电层理论,电势分布满足泊松方程和下列边界条件:其中eρ是局部净电荷密度. n0 是离子浓度,z 是化合价,ζ 是 zeta 势,e 是基本电荷,ε是电解质溶液的介电常数,kB 是Boltz

微通道间流体的流动:数学模型与电粘性效应研究

本章研究平行板纳米管道内定常 (∂/∂t = 0)、常压力梯度 (dp0/dx) 驱动流的电粘性效应和能量转换效率. 管道内电解质溶液的密度、粘度和电导率分别为ρ,µ 和 σ. 管道长度和宽度远远大于高度2h. 根据双电层理论,电势分布满足泊松方程和下列边界条件:

其中eρ是局部净电荷密度. n0 是离子浓度,z 是化合价,ζ 是 zeta 势,e 是基本电荷,ε是电解质溶液的介电常数,kB 是Boltzmann常数,T 是绝对温度.

在常压力梯度(dp0/dx,0,0) (与位置无关) 驱动下产生单向定常流,速度记为 (u,0,0).假设电解质溶液是不可压缩粘性牛顿流体,我们利用连续性方程得到 ∂u/∂x=0,所以 u 只与变量 y 有关. 因此该流体满足下列动量守恒方程:

其中 Es 是流动电势的电场强度,dp0/dx 是常数. 边界条件为

其中

b0 是通常的滑移长度,没有考虑避免电荷密度对它的影响. α~1,d 是Lennard-Jones势的平衡距离, lB = e2/(4πεkBT ).这里,壁面电荷σs等于 流体中的净电荷:

通过管道的流动电流可表示为(www.daowen.com)

流动电势的电场强度在管道内产生反方向传导电流,使管道内的净电场强度为零,即

其中σ=2z2e2Dn0/(kBT),D 是离子扩散系数. 从方程Is+ Ic=0可以算出流动电势的电场强度Es:

在产生流动电流 (Is) 流动电势的电场强度 (Es) 的过程中,压力驱动流的机械能转换为电能. 它的能量转换效率的定义是

其中

是纯压力驱动流的流率,up0是纯压力驱动流的速度,未考虑壁面电荷对滑移长度的影响.

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