悬浮纳米液滴蒸发行为的分子动力学模拟

摘要

悬浮液滴蒸发是一种普遍的自然现象，广泛存在于化工、制药和燃烧等领域。在喷雾干燥过程中，悬浮液滴的蒸发速率是干燥设备效率的关键，另外，汽油直喷式汽车发动机中悬浮燃料液滴的燃烧完全程度受液滴蒸发速率的影响，并将直接影响到热量产生的多少和排出废气的成分。实际上，蒸发现象是以液滴群的形式出现的，而研究单个悬浮液滴的蒸发行为是其基础。单液滴蒸发的研究主要集中在宏观液滴的蒸发，通常通过实验的方法进行研究。很多宏观物理量都建立在连续性假设上，但当液滴的直径达到纳米尺寸时，连续性假设不再成立。而且现有的实验设备不能进行纳米液滴蒸发的研究。
　　本文采用分子动力学模拟技术，利用LAMMPS软件研究纯氩液滴、Ar-CH4混合物液滴和含有金属颗粒氩液滴这三种类型纳米液滴的蒸发行为，为悬浮纳米液滴的蒸发提供初步的理论支持。分子动力学的模拟结果表明，三种类型的悬浮球形液滴在蒸发过程中都基本保持球形，模拟体系温度越高，模拟原子数越少，液滴中固体颗粒质量分数越大，球形度越小。模拟参数对不同的统计物理量影响各异。统计体系密度分布时，网格尺寸对其影响很显著;统计液相原子数时，势能函数中的截断半径对其影响尤为关键。因此，在模拟过程中截断半径是关键参数。对于悬浮纳米球形氩液滴的蒸发，模拟体系温度越高，液滴初始直径越小，蒸发速率越大。对于氩和甲烷的二元混合物液滴，液滴中甲烷摩尔分数越小，总蒸发速率越大;模拟体系温度越高，初始直径越小，悬浮纳米液滴蒸发速率越大;气相中的惰性组分对悬浮纳米液滴蒸发速率没有影响。对于含有固体颗粒的悬浮纳米液滴，模拟体系温度越高，蒸发速率越大。含固体颗粒的纳米液滴的蒸发速率略小于纯氩的蒸发速率。

目录

声明

摘要

引言

1 文献综述

1．1 液滴组分简述

1．2 液滴蒸发概述

1．2．1 液滴蒸发基本机理

1．2．2 研究方法

1．2．3 影响蒸发的因素

1．2．4 蒸发速率的表示方法

1．3 纳米液滴特性

1．4 分子动力学模拟

1．4．1 分子动力学介绍

1．4．2 几个技术问题的处理

1．4．3 宏观性质的统计方法

1．5 研究现状

1．5．1 纯组分液滴蒸发行为的分子动力学模拟研究现状

1．5．2 混合物液滴蒸发行为的分子动力学模拟研究现状

1．5．3 含固体颗粒的液滴蒸发行为的分子动力学模拟研究现状

1．6 本文研究内容

2 悬浮纳米氩液滴蒸发行为的分子动力学模拟

2．1 平衡分子动力学模拟

2．1．1 模拟体系

2．1．2 模拟细节

2．1．3 势能函数

2．1．4 模拟过程

2．1．5 模拟盒子尺寸影响

2．1．6 网格尺寸的影响

2．1．7 截断半径的影响

2．1．8 模拟原子数的影响

2．2 非平衡分子动力学模拟

2．2．1 温度的影响

2．2．2 初始直径的影响

2．3 本章小结

3 悬浮纳米Ar-CH4混合物液滴蒸发行为的分子动力学模拟

3．1 平衡分子动力学模拟

3．1．1 模拟体系

3．1．2 模拟细节

3．1．3 势能函数

3．1．4 截断半径的影响

3．1．5 密度分布和界面厚度

3．2 非平衡分子动力学模拟

3．2．1 温度的影响

3．2．2 液滴初直径的影响

3．2．3 甲烷摩尔分数的影响

3．2．5 惰性组分的影响

3．3 本章小结

4 含有金属颗粒的悬浮纳米液滴蒸发行为的分子动力学模拟

4．1 平衡分子动力学模拟

4．1．1 模拟细节

4．1．2 势能函数

4．1．3 截断半径的影响

4．2 非平衡分子动力学模拟

4．2．1 温度的影响

4．2．2 颗粒种类的影响

4．2．3 质量分数的影响

4．3 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致谢