水和水溶液在声悬浮条件下的运动规律与凝固机制

论文摘要

本文从实验和理论两方面深入地探讨了声悬浮液滴的运动规律；研究了声悬浮条件下水滴的过冷与形核机制；采用分子动力学方法模拟了过冷态水的表面性质；借助声悬浮技术和分子模拟相结合的方法研究了不同浓度下NaCl和KCl水溶液的过冷度分布规律。主要取得以下几方面的研究结果： 实验研究了声悬浮条件下液滴的平衡形状演变规律。深入分析了两瓣、三瓣和四瓣液滴形状的演化过程。证实声压导致的液滴初始形状的变形是造成各个分瓣形状簇临界角速度漂移的主要原因。实验中首次观察到一种新的平衡形状分支：五瓣形状，认为它的出现与液滴初始形状的变形程度有关。 采用有限元方法模拟了声悬浮液滴各个形状簇的演化过程，预测了两瓣、三瓣和四瓣形状的临界角速度与自身演变规律。同实验结果比较，两者符合较好。 实验研究了声悬浮水滴的深过冷规律，获得的最大过冷度为32K。比较声压幅值SPL=160.6dB和SPL=164.4dB下液滴的过冷度分布，两种条件下的平均过冷度分别为13.7K和9.7K，均远小于均质形核过冷度，而且增大声压幅值会显著地降低过冷度。 根据液滴的过冷度分布，采用统计方法分析了160.6dB和164.4dB两个声压水平下水滴的形核规律。结果表明声悬浮条件下水滴的形核主要发生在表面附近。提高声压幅值会加剧水滴的变形，导致表面积扩大，形核数目增多，过冷度水平降低。造成表面形核过程的主要因素有两方面：一是声压与液滴的相互作用主要发生在表面附近，这里气泡的运动及空化效应对形核的促进作用比较明显。二是表面附近的声流加速了液滴表层与周围介质的热交换，使得表面温度较内部低，有利于形核。对比两个声压幅值下的形核率，发现高声压幅值能够在一定程度上促进形核，其主要原因是高声压能够在更大程度上促进气泡生长，加剧液滴周围介质的流动，增大形核率。 选用SPC／E和TIP4P两种势函数对过冷态水的表面性质进行了分子动力学模拟。结果表明随着过冷度的增大，气／液界面厚度减小，表面张力增大，表面势增强。SPC／E势的表面张力模拟结果与实验值符合很好，而TIP4P势的模拟值

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 文献综述
• 1.1 声悬浮无容器处理技术
• 1.1.1 无容器处理技术
• 1.1.2 声悬浮理论
• 1.1.3 声悬浮条件下液滴的变形与振荡
• 1.1.4 声悬浮无容器处理技术的应用
• 1.2 旋转液滴的平衡形状
• 1.2.1 理论基础
• 1.2.2 初始变形的旋转液滴的平衡形状
• 1.3 水的深过冷研究
• 1.3.1 深过冷水的相变及热力学和动力学性质
• 1.3.2 深过冷水的表面性质
• 1.3.3 深过冷水的过冷与结晶
• 1.4 水溶液的深过冷研究
• 1.4.1 水的盐溶液分子结构
• 1.4.2 盐溶液的深过冷和形核
• 1.5 本文的研究目标及课题来源
• 参考文献
• 第二章 研究方案与实验方法
• 2.1 旋转液滴的平衡形状实验
• 2.1.1 研究对象
• 2.1.2 实验装置
• 2.2 声悬浮条件下水和水溶液的过冷实验
• 2.2.1 研究对象
• 2.2.2 实验装置
• 2.3 有限元方法
• 2.4 水及水溶液的分子动力学模拟
• 2.4.1 势函数
• 2.4.2 气/液表面模拟
• 2.4.3 水溶液的模拟
• 2.5 研究思路
• 参考文献
• 第三章 声悬浮状态下旋转液滴的平衡形状
• 3.1 引言
• 3.2 实验方法
• 3.3 实验结果
• 3.3.1 两瓣形状
• 3.3.2 三瓣形状
• 3.3.3 四瓣形状
• 3.3.4 五瓣形状
• 3.4 声悬浮条件下旋转液滴形状演变的数值模拟
• 3.4.1 理论模型
• 3.4.2 数值模拟方法
• 3.4.3 模拟结果
• 3.5 模拟与实验结果的对比
• 3.6 本章小结
• 参考文献
• 第四章 声悬浮条件下水的过冷与形核
• 4.1 引言
• 4.2 实验方法
• 4.3 声悬浮条件下大体积水的过冷
• 4.3.1 过冷度的分布
• 4.3.2 水的形核率
• 4.3.3 影响表面形核的因素
• 4.4 本章小结
• 参考文献
• 第五章 过冷态水表面性质的分子动力学模拟
• 5.1 引言
• 5.2 模拟方法
• 5.2.1 势函数的选择
• 5.2.2 长程交互作用
• 5.3 密度分布
• 5.4 表面张力
• 5.5 表面分子方向与表面势
• 5.6 本章小结
• 参考文献
• 第六章 水溶液在声悬浮条件下的过冷能力
• 6.1 引言
• 6.2 实验与模拟方法
• 6.3 水溶液过冷度的分布
• 6.4 分子动力学模拟
• 6.4.1 长程平动有序参数
• 6.4.2 方向有序参数
• 6.5 声辐射压对溶液过冷度的影响
• 6.6 本章小结
• 参考文献
• 第七章 结论
• 致谢
• 攻读博士学位期间发表的论文
• 作者简历