汽泡成核的分子动力学研究及纳米颗粒对成核的影响

论文题目: 汽泡成核的分子动力学研究及纳米颗粒对成核的影响

论文类型: 博士论文

论文专业: 动力工程及工程热物理

作者: 王金照

导师: 过增元,陈民

关键词: 分子动力学模拟,汽泡成核机理,纳米流体,临界热流密度

文献来源: 清华大学

发表年度: 2005

论文摘要: 汽泡成核是自然界和工程领域中广泛存在的一类基本物理现象。由于难以对汽泡成核过程进行直接的实验观测,到目前为止汽泡成核机理的认识中仍存在一些有争议的问题。本文采用分子动力学方法模拟了汽泡成核过程,从分子水平上观察和分析了汽泡成核的过程和机理。同时,还研究了纳米颗粒对汽泡成核及沸腾换热的影响,并从成核的角度来分析实验中观察到的纳米颗粒显著提高池沸腾临界热流密度的原因。以往汽泡成核过程的分子模拟因受计算能力的限制,只能得到汽泡成核过程的前期阶段。本文采用分子动力学并行计算,模拟了分子数为106的氩流体汽泡成核,得到了一个比较完整的汽泡成核过程。模拟结果表明汽泡是由过热液体中密度涨落形成的低密度汽核逐渐生长得到的,这一模拟结果与经典成核理论关于汽泡成核机理的假设一致。Kwak分子相互作用模型所假设的高能量分子聚集形成团簇,团簇达到不稳定状态后自发膨胀形成汽泡的成核机制在本文模拟中没有观察到。另外,对成核过程的定量分析表明在本文模拟中虽然临界汽核尺寸在纳米量级,但其形状仍接近于球形,其半径仍可由宏观的经典成核理论近似描述。通过分子动力学模拟和理论分析研究了纳米颗粒对流体内部汽泡成核的影响。结果表明纳米颗粒尺寸越大、表面厌水性越强,颗粒对汽泡成核的影响越大。当纳米颗粒的半径不到均质成核临界核半径的1 2时,纳米颗粒对汽泡成核的影响已不明显。在常压下以水为母液的纳米流体池沸腾中,纳米颗粒的尺寸远小于临界核的尺寸,颗粒不能在流体内部成为新的核化点。论文还对二氧化硅—水纳米流体的池沸腾换热进行了实验研究,和已有的纳米流体沸腾换热实验一样,发现加入少量的纳米颗粒可以显著提高流体沸腾换热的临界热流密度。为了分析其原因,本文对沸腾过程和加热表面进行了高速摄影和电镜分析,结果表明尽管纳米颗粒不能在流体内部成为新的核化点,但纳米颗粒沉积在加热丝表面上形成了微结构,提高了加热丝上的核化点密度,并对临界热流密度的提高起主要作用。

论文目录:

第1章 引言

1.1 研究背景

1.2 研究现状

1.2.1 均质汽泡成核的研究现状

1.2.2 纳米流体沸腾换热的研究现状

1.3 本文的研究目标、方法及内容

第2章 大规模分子动力学并行计算及算法优化

2.1 分子动力学模拟基本原理

2.2 分子动力学并行计算概述

2.3 并行计算的实现和算法优化

2.3.1 计算的软硬件条件

2.3.2 并行算法及区域划分策略

2.3.3 近邻分子的快速定位技术

2.3.4 自适应的内存分配算法

2.4 并行效果

2.5 计算结果的验证

2.6 小结

第3章 均质汽泡成核的分子动力学模拟

3.1 模拟方法和细节

3.1.1 模拟系统

3.1.2 汽泡成核的实现方法

3.1.3 模拟细节

3.2 成核过程的模拟结果

3.2.1 汽泡成核过程的物理图像

3.2.2 液体承受的最大负压

3.3 成核过程的定量分析方法

3.3.1 汽核的判别

3.3.2 汽核的跟踪

3.3.3 临界核的判别

3.4 成核过程定量分析结果

3.4.1 汽核的形状

3.4.2 临界核的半径

3.5 模拟结果对成核理论的考证

3.5.1 经典成核理论

3.5.2 Kwak 分子相互作用模型

3.6 本章小结

第4章 纳米颗粒对汽泡成核影响的分子动力学模拟及分析

4.1 模拟方法及细节

4.1.1 模拟系统

4.1.2 汽泡成核过程的实现方法

4.1.3 模拟细节

4.2 模拟结果

4.2.1 纳米颗粒大小对汽泡成核的影响

4.2.2 纳米颗粒表面性质对汽泡成核的影响

4.2.3 纳米颗粒上汽泡成核的物理图像

4.3 纳米颗粒对汽泡成核影响的理论分析

4.3.1 异质成核的经典理论

4.3.2 纳米颗粒上汽泡成核的理论分析

4.3.3 理论分析结果

4.4 池沸腾中纳米颗粒对流体内部汽泡成核影响分析

4.5 本章小结

第5章 纳米流体沸腾换热实验

5.1 实验装置及测试原理

5.1.1 实验装置

5.1.2 实验工质

5.1.3 测试原理及过程

5.2 实验结果及分析

5.2.1 实验结果

5.2.2 沸腾过程的高速摄影

5.2.3 加热丝表面的电镜分析

5.2.4 纳米流体临界热流密度提高原因分析

5.3 本章小结

第6章 结论

参考文献

致谢

声明

个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果

发布时间: 2006-06-29

参考文献

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