利用lammps模拟LJ流体在微通道中为二维流动

2.1.问题描述

本次研究拟采用LJ体系模拟二维Couette flow，Couette flow（库爱特流）指的是粘性流体在相对运动着的两平行平板之间的层流流动。这个流动是由作用在流体上的粘性力和与平板平行的外部压力推动的。本次研究通过固定底端，移动顶端来制造Couette flow。

2.2.模型描述

具体模型如图2.1所示。本次模拟采用LJ约化单位，初始晶体模型为六方最密堆积结构，晶格参数为0.7，沿x（100）方向为20倍晶格长度，y方向（010）为20倍晶格长度。此次模型为2维模型，x为流动方向，因此设置为周期性边界。y方向采用收缩边界，以模拟平板移动。采用OVTIO进行模型可视化处理。在模拟流动前先设置流动区域和平板区域。具体方式为采用velocity和fix setforce命令固定底端和顶端1倍晶格长度的区域作为平板。对中间的流体区域采用速度标定法进行控温。在进行流动模拟时，为顶端的固定区域设置沿x方向的初速度为5.0，其他方向速度为0。底端继续保持固定。流动模拟一共运行100000步。

图2.1：模型示意图

2.3结果整理与分析

图2.2展示了在初始1000步，50000步和100000步时流体原子沿着y方向的x方向速度（vx）的分布情况。从图中可以看出有平板与流体之间粘性力带起的流体运动存在着明显的滞后现象。这样的滞后体现在空间和时间尺度上。在空间尺度表现为从固定端到移动端存在着明显的速度梯度。从时间尺度上表现为流体的速度随着时间逐渐增加。同时还利用OVITO分析了沿y轴不同位置原子的移动轨迹，如图2.3所示。这里也可以清楚的看的靠近顶端移动平板的原子在相同时间内有着更长的移动距离。这样的可视化可为Couette flow的直观分析带来更大的便利。

图2.2：在不同时刻流体原子沿y轴的vx分布情况

图2.3：在不同时刻流体原子的轨迹线