亚/超临界环境下气液界面特性的分子动力学模拟

摘要

气液界面是指不同的两相物质在相交时所形成的具有一定厚度和体积的相间物理分界面，一般简称为界面。在全球能源紧缺的背景下，能够全面清晰的了解气液界面行为对于改善喷雾混合过程，获得高能效低排放的内燃机显得尤为重要。气液界面的微观性和不稳定性使得采用理论分析和实验方法研究界面特性十分困难，因此本文采用分子动力学微观数值模拟方法从单液滴蒸发与纳米尺度喷射流动两个热力学过程对气液界面行为开展微观研究，揭示气液界面行为随环境条件变化的微观机理。
　　单液滴蒸发方面，采用液体模拟的优化全原子势函数(OPLS-AA)对正庚烷在亚/超临界环境下的气液界面性质进行平衡分子动力学模拟。真空环境下，得到气液相密度、界面厚度及界面张力等性质随模拟分子数、截断半径及模拟温度的变化规律，并与实验值进行对比;在真空以及由氮气形成的亚/超临界环境下，给出流体由亚临界过渡到超临界状态时的温度分布情况，总结了气液界面性质随模拟环境的变化规律:随模拟环境由亚临界过渡到超临界，气、液相密度差及界面张力减小，界面厚度增大。在低超临界状态下，界面性质与亚临界状态尚无本质区别，仅当达到较高超临界状态时，流体才表现出明显的超临界特征。
　　纳米喷射流动MD模拟中，考察了联合原子势对正庚烷界面行为描述的精确性，进而采用联合原子力场探索了喷孔直径、推射速度等因素对纳米射流形成的影响规律，重点考察了纳米射流喷入由氮气形成的超临界环境后，气液界面行为的变化规律。研究结果表明:较小的喷孔直径使得射流分散，只有当孔径大至7～8个正庚烷分子长度时才能形成稳定射流;对正庚烷流体的推射速度同样要大至200～300m/s时才能获得稳定的喷射流动;高温高压环境使气液相密度差和界面张力减小，从而引起射流过程中分裂现象的延迟，低超临界环境不足以使两相密度差和界面张力完全消失，超临界环境必须高至一定程度才能够得到超临界流体。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 研究背景及意义

1．2 界面及界面现象

1．3 国内外研究进展

1．4 当前研究的不足及本文工作

2 分子动力学模拟方法

2．1 MD模拟基本原理

2．2 MD模拟中的关键问题

2．2．1 势函数

2．2．2 本文所用势函数

2．2．3 混合规则

2．2．4 牛顿运动方程的数值求解方法

2．2．5 边界条件与时间步长

2．2．6 系综原理

2．3 MD应用软件

2．4 界面特性参数统计方法及公式

2．4．1 统计方法

2．4．2 密度及界面厚度计算公式

2．4．3 界面张力计算公式

2．4．4 温度计算公式

2．5 本章小结

3 亚／超临界环境中单液滴气液界面特性的平衡分子动力学模拟

3．1 真空环境中气液界面特性的MD模拟

3．1．1 模拟细节

3．1．2 体系平衡判则

3．1．3 各初始条件的影响规律

3．1．4 温度对界面特性的影响规律

3．2 亚／超临界环境中气液界面特性的MD模拟

3．2．1 模拟细节

3．2．2 体系温度变化及分布规律

3．2．3 气液界面性质的变化规律

3．3 本章小结

4 亚／超临界环境中纳米喷射流动的非平衡分子动力学模拟

4．1 联合原子势精确性验证

4．1．1 模拟细节

4．1．2 界面特性模拟结果及实验值对比

4．2 亚／超临界环境中纳米射流的分子动力学模拟

4．2．1 形成稳定纳米射流条件的探索

4．2．2 环境条件对射流中气液界面性质的影响规律

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