文献综述

进入21世纪以来，化学工程研究领域正在经历着向空间多尺度和各种极限条件拓展的深刻变化，化学工程也不再仅限于传统化工产业，与材料技术、生物技术、计算机技术等多学科的交叉融合成为重要趋势。伴随着我国对生活环境质量关注度的上升以及对节约能源的迫切需求，实现低污染、低能耗、高效率生的化工生产过程已然成为当前亟待解决的问题。

从宏观到微观看起来只是物理尺度的变化，但是很多纳米尺度现象很难用宏观理论解释。实验已经证实在微管内流体的传热和流动行为与宏观尺度下的行为规律相比有一定偏离，如层流到湍流时临界雷诺数减小，雷诺类比在这种微尺寸通道中变得不适用【1】。目前针对微孔膜限域传质机制认识尚不清晰，导致膜材料的制备尚处于经验摸索阶段，缺乏理论指导。以纳微尺度下流体传质为基础的微孔膜构筑在化工分离、能源等领域有着广泛的应用与巨大的发展前景。

除了理论分析和实验研究之外，对纳米尺度流体流动的研究常以计算机数值模拟为手段。目前实验表征只能描述到分子内作用和分子间作用，而且实验成本很难降低。分子模拟包括量子化学法、分子建模法和经典分子模拟法等，经典分子模拟法又包括蒙特卡洛模拟和分子动力学模拟【2】。对于我们全面了解纳米尺度下流体流动机理，计算机模拟是一种高效，低成本的研究手段。

1.1纳米尺度下毛细现象理论研究

毛细管中流动靠液体表面张力自发进行，这种优势使其在电子、多孔材料中获得广泛应用。宏观尺度下的毛细管研究持续将近一个世纪，许多学者进行了大量研究。例如，Ayodeji通过研究水在玻璃毛细管内行为发现当毛细管水平布置时平均上升速度以对数形式稳定下降，对于垂直上升的初始阶段，平均上升速度线性下降【3】。1921年E.W.Washburn首次提出描述毛细管中流体上升速度的经典理论Lucas-Washburn（L-W）方程【4】。随着研究不断深入，纳米尺度下的毛细流动逐渐成为众多研究热点之一。人们发现，将L-W方程直接应用到纳米尺度仍存在一些偏差。因此，大量学者对L-W方程进行了修正以使其能够更准确地描述纳米通道中的毛细现象。其中Cupelli等提出在L-W方程中加入惯性和动态接触角的影响，其理论得到了耗散力子动力学模拟的验证【5】。Dimitrov等通过对不同体系的研究提出了在一些体系中引入滑移长度修正L-W方程的必要性【6】。Henrich等指出壁面滑移会增加毛细流动的速度，使模拟结果不能用Lucas-Washburn方程描述，而壁面原子密度和固-液相互作用大小是影响壁面滑移的两个关键因素【7】。随着对纳米毛细管内流体流动的不断探讨，对其本质和机理认识也得到快速发展。