Cu-H2O纳米流体受热运动的分子动力学模拟

摘要

随着能源问题日益加剧，学者们愈发重视强化换热领域的研究。纳米流体是一种新型、高效的换热介质，它由纳米颗粒及基液组成。在工业中能代替传统工质，从而提高系统的换热效率。本文以分子动力学为模拟的理论基础，采用L-J势函数和偶极子势函数构建水分子模型，采用Morse势函数构建铜原子模型。通过研究Cu-H2O纳米流体受热时粒子的能量转换和受力改变情况，得出了纳米流体受热运动的微观机理。主要研究内容及结论如下:
　　(1)纳米颗粒团聚受直径和温度的影响。纳米颗粒直径越大，纳米颗粒团聚越慢。纳米颗粒团聚温度越高，纳米颗粒的团聚速度越快。
　　(2)通过对纳米流体中水分子的排列进行研究，发现纳米颗粒周边存在吸附层。其密度比同样条件下水分子密度更大，结构更紧密。
　　(3)模拟了纳米流体受热运动的情况。纳米流体加热前期，纳米流体吸附层的水分子分布明显紧凑，密度较高。虽然纳米流体吸附层因为加热作用导致呈现不稳定状态，但是纳米颗粒表面有着强大的吸引能力，水分子难以逃逸。当水分子运动至冷却区域，由于冷却作用导致水分子速度减慢并形成氢键，数量也越来越多形成新的团簇。模拟不断进行，团簇也不断形成，又不断分离，直到系统形成新的稳定状态。整个模拟过程中，系统的总能量增加，并在0.2 ps逐渐趋于稳定。
　　(4)模拟压力为1atm的情况下，纯水相变温度为342.4K与实际水的相变温度相近。发现温度为420K时，模拟纳米流体势能变化剧烈。
　　(5)在温度为300K压力为1atm的情况下，通过EMD方法计算水的导热系数为0.47W/(m·K)，纳米颗粒及其周边水分子导热系数为400W/(m·K)。通过NEMD方法，计算出纯水系统中冷热源温差为54.2K。加入纳米颗粒后冷热源温差为29.7K，证明纳米颗粒能有效提高导热效率。
　　本文研究了纳米流体受热的微观运动，对纳米流体相关实验研究及其在工业上的运用具有重大的指导意义。

目录

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摘要

第一章 绪论

1．1 纳米流体的应用与发展

1．1．1 纳米流体的宏观研究

1．1．2 纳米流体的微观研究

1．1．3 纳米流体制备研究

1．2 研究内容与意义

1．3 本文创新点

1．4 本章小结

第二章 分子动力学模拟原理与模型构建

2．1 分子动力学模拟的基本原理

2．1．1 运动方程与能量方程

2．1．2 分子动力学的算法

2．1．3 势函数

2．2 分子动力学模拟中的几个重要概念

2．2．1 系综

2．2．2 边界条件

2．2．3 势函数的截断半径近似与近邻列表

2．3 模型的构建与模拟过程

2．3．1 模型的构建

2．3．2 模拟过程

2．3．3 模拟平台

2．4 本章小结

第三章 纳米流体受热条件下的微观机理分析

3．1 纳米颗粒团聚模拟

3．1．1 纳米颗粒团聚的模拟步骤

3．1．2 纳米颗粒团聚形状

3．1．3 影响纳米颗粒团聚的因素

3．2 纳米颗粒与水分子间吸附的模拟

3．2．1 水分子与纳米颗粒的势能变化模拟

3．2．2 纳米颗粒周围水分子密度变化模拟

3．3 纳米流体受热运动情况的模拟

3．3．1 模拟初始情况介绍

3．3．2 纳米流体系统与水系统能量情况分析

3．3．3 纳米流体受热运动的过程分析

3．4 本章小结

第四章 纳米流体模型的验证

4．1 纳米流体的相变温度计算

4．1．1 纯水的相变温度计算

4．1．2 纳米流体的相变温度计算

4．2 纳米颗粒附近流体的导热系数计算

4．2．1 平衡分子动力学方法计算导热系数

4．2．2 非平衡分子动力学方法计算导热系数

4．3 本章小结

结论与展望

参考文献

致谢

附录