Theory and Simulation of Microchannel Flow Using Hybrid Method of Molecular Dynamics and Multiparticle Collision Dynamics = 분자동역학-다입자 충돌 동역학 결합 방법을 통한 마이크로채널 유동의 이론 및 전산모사 연구

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

In this thesis, we have studied Poiseuille and diffusioosmotic flows using microscopic coarse-grained particle-based simulations that incorporate molecular interactions between fluid particles and channel walls. Diffusioosmotic flow is generated by the fluid-wall molecular interactions, coupled with concentration gradients in the potential regions where the interactions are effective. Poiseuille flow is driven by gravity as an external body force. Fluid velocities of Poiseuille and diffusioosmotic flow in narrow potential region obtained from simulations are quantitatively compared with predictions from continuum theory that accounts for density and viscosity variations. While continuum theory adequately predicts enhanced flow velocities throughout the channel, it does not fully capture flow behaviors in regions of very low fluid density near the wall, revealing its limitations. Temperature controls fluid-wall friction, with lower temperatures reducing friction and making the wall surface more slippery. In addition, Poiseuille flows driven by gravity are simulated using microscopic dynamics incorporating fluid-wall molecular interactions. Fluid velocity slips near the wall and corresponding enhancements in flow velocities throughout the channel are quantitatively analyzed by comparing simulation results with theoretical predictions that account for viscosity variations in the potential region.

국문 초록 (Abstract)

본 논문에서는 유체 입자와 채널 벽 사이의 분자 상호작용을 포함하는 미시적 coarse-grain 기반 입자 시뮬레이션을 사용하여 푸아죄유 흐름과 확산삼투 흐름을 연구하였다. 확산삼투 흐름은 상호작용이 유효한 퍼텐셜 영역에서의 농도차와 결합된 유체-벽 분자 상호작용에 의해 생성된다. 푸아죄유 흐름은 외부 체적력으로서 중력에 의해 구동된다. 좁은 퍼텐셜 영역에서 시뮬레이션으로부터 얻은 푸아죄유 흐름과 확산삼투 흐름의 유체 속도는 밀도와 점도 변화를 고려한 연속체 이론의 예측과 정량적으로 비교된다. 연속체 이론은 채널 전체에 걸친 향상된 유동 속도를 적절히 예측하지만, 벽 근처의 매우 낮은 유체 밀도 영역에서의 흐름 거동을 완전히 포착하지 못하여 그 한계를 드러낸다. 온도는 유체-벽 마찰을 제어하며, 낮은 온도는 마찰을 감소시키고 벽 표면을 더 미끄럽게 만든다. 또한, 유체-벽 분자 상호작용을 포함하는 미시적 동역학을 사용하여 중력에 의해 구동되는 푸아죄유 흐름을 시뮬레이션하였다. 벽 근처의 유체 속도 미끄러짐과 이에 따른 채널 전체의 유동 속도 향상은 퍼텐셜 영역에서의 점도 변화를 고려한 이론적 예측과 시뮬레이션 결과를 비교하여 정량적으로 분석된다.

목차 (Table of Contents)

• Chapter 1. Introduction 1
• 1.1. Overview 1
• 1.2. Multiparticle Collision Dynamics 3
• 1.3. Poiseuille Flow 5
• 1.4. Diffusioosmotic Flow 8
• Chapter 2. Simulation Methods 14
• 2.1. Hybrid MPC-MD Methods 14
• 2.2. Simulation Methods for Poiseuille Flow 17
• 2.3. Simulation Methods for Diffusioosmotic Flow 19
• Chapter 3. Results and Discussion 21
• 3.1. Results of Poiseuille Flow 21
• 3.2. Results of Diffusioosmotic Flow 29
• Chapter 4. Conclusion 42
• Bibliography 44
• 국문초록 46
• 감사의 글 47