To analyze the fluid flow and thermal characteristics in a nanoscale system the planar Poiseuille flow of a Lennard-Jones liquid through parallel plates formed by fixed atoms is studied using nonequilibrium molecular dynamics simulations. The roles of important simulation parameters, such as the channel width, the magnitude of external field, the temperatures of the top and bottom plates, and the interaction potential parameter between fluid and wall atoms, which affect flow patterns and heat transfer rate inside the channel are investigated. Using the mesoscopic method, the integration of the Navier-Stokes equations and the energy conservation equation, hydrodynamic profiles are obtained. Linear constitutive relations give the basic transport coefficients such as viscosity and thermal conductivity from the number density, the velocity, and the temperature profiles. Under the various simulation conditions, interesting phenomena deviated from the continuum predictions have found. When the channel width is in the order of a few molecular diameters, the velocity profile shows oscillating shape, but the no-slip condition is still satisfied. As the magnitude of external field increases, the streaming velocity profiles exhibit large slip length near the walls. The strength of wall-fluid interaction, however, enhances or restrains the velocity slip. The temperature profiles always show large discontinuities near the walls meaning poor wall-fluid thermal interaction. This has not changed with the different wall temperature. Calculated Nusselt number is mostly lower than the continuum solution. However, the use of classical behavior for fitting the simulation data gives the values of Nusselt number very close to the continuum solution.
나노 스케일의 시스템에서의 유체 유동 및 열적 특성을 해석하기 위한 일환으로 고체 원자들로 이루어진 평판 내의 Lennard-Jones 유체의 흐름을 비평형 분자 동역학 시뮬레이션을 이용하여 연구하였다. 채널 내의 유체 유동 형상 및 열전달률에 영향을 미칠 수 있는 여러 가지 중요한 인자들 중에서 특히, 채널의 폭, 외부에서 인가되는 압력장의 크기, 아래 및 위 평면의 온도, 유체 원자와 고체 원자간에 작용하는 힘의 크기 등의 역할에 대한 연구가 수행되었다. Navier-Stokes 방정식과 에너지 보존 방정식을 적분하는 과정을 통해 Pressure tensor, heat flux 등의 국부적인 분포 곡선을 얻었다. 또한 선형 상관 관계식을 이용해 시뮬레이션에서 얻어진 밀도, 유속, 온도 분포 곡선으로부터 점성 계수, 열 전도도와 같은 전달 물성치 값을 구하였다. 위에서 언급된 인자들이 시뮬레이션 조건으로 주어졌을 때 연속체 이론에서 벗어나는 여러 현상들이 발견되었다. 채널 폭이 원자 직경의 5배 정도일 경우, 유속 분포가 채널 내부에서 진동하는 모습을 보여주었지만 No-slip 조건은 여전히 만족하였다. 그러나 외부에서 인가되는 압력장이 증가되면 벽면 근처에서 유속의 Slip 현상이 나타난다. 이 때 유체 원자와 고체 원자간에 상호 작용하는 힘이 커질 경우 Slip 현상이 감소된다. 온도 분포 곡선의 경우 모든 시뮬레이션 조건에 대해 벽면에서 Jump 현상이 나타났고 이것은 유체와 고체 원자 간의 열 교환이 매우 안 좋음을 의미한다. 시뮬레이션 데이터들로부터 열전달 계수인 Nusselt 수를 구했으며 그 값은 연속체 이론에서 얻을 수 있는 해보다 작았다. 그러나 유속 분포를 2차 곡선으로, 온도 분포를 4차 근사 곡선으로 근사 시켜 얻은 데이터를 이용하면 Nusselt 수는 연속체 이론의 해인 16에 가까운 값을 보였다.
