离子液体基纳米流体导热系数的分子动力学模拟

摘要

吸收式热泵是一种利用余热来实现低温向高温输送热量的节能环保设备。传统的热泵工质对有氨水和溴化锂水溶液，但是氨水有毒，溴化锂水溶液则易结晶和腐蚀设备。离子液体是一种新型的绿色有机溶剂，具有蒸汽压低，液程宽，热稳定及无腐蚀性等特点，而且具有替代传统热泵工质成为吸收制冷或吸收热泵冷媒新型吸收剂的可能。纳米流体是一种悬浮有纳米粒子或纳米管而形成的新型冷却工质，相比较于传统的流体，纳米流体具有异乎寻常的热传递性能。将离子液体基纳米流体作为热泵新工质不仅能强化传热，而且具备离子液体独特的性能。
　　本文主要利用分子动力学模拟方法，以传统的水基纳米流体为出发点，研究了新型离子液体基纳米流体作为热泵工质的传热特性。具体工作和成果如下:
　　第一部分:利用分子动力学方法模拟计算了四种常见水模型的密度、粘度、扩散系数和导热系数，结果表明SPC/E水模型的模拟值与实验值吻合较好。在此基础上，我们选择SPC/E水模型作为水基纳米流体的基液，计算了加入纳米铜颗粒后的水基纳米流体导热系数，并与实验值进行比较吻合较好。
　　第二部分:利用量化方法对离子液体进行几何构型优化、频率分析和能量计算，选择出最稳定的离子液体构型，并得到相应的结构参数和原子电荷，又采用OPLS和Amber混合力场来分别描述离子液体阴阳离子，从而建立起离子液体的力场。为了验证离子液体力场的准确性，采用分子动力学方法模拟了离子液体在不同温度下的密度、扩散系数和导热系数，验证了力场的准确性。最后，为研究同一纳米颗粒不同质量分数以及同一质量分数不同纳米颗粒的离子液体基纳米流体导热系数，建立了各种纳米流体模型，结果表明:各离子液体基纳米流体的导热系数相比于离子液体均有提高。
　　第三部分:为了工业应用的目的，我们首先模拟计算了不同摩尔分数下的离子液体二元溶液的密度、扩散系数和导热系数。接着模拟计算了以纳米铜颗粒为添加剂的离子液体二元溶液基纳米流体的导热系数，并较其基液二元溶液的导热系数有所提高。
　　第四部分:为了探究纳米流体导热系数增加的原因，我们分析了加入纳米颗粒前后各粒子运动的快慢、微观结构变化和导热系数中各项贡献大小。结果表明:维里自相关项在纳米流体导热系数的提高当中起到了最大的积极作用。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 研究背景及意义

1．2 国内外研究进展

1．2．1 理论模型

1．2．2 水基纳米流体

1．2．3 离子液体基纳米流体

1．3 当前研究的不足

1．4 理论和计算方法

1．4．1 量子化学简介

1．4．2 分子动力学简介

1．4．3 计算方法简介

1．5 本文主要研究内容和思路

2 传统水基纳米流体的分子动力学模拟

2．1 引言

2．2 水的分子动力学模拟

2．2．1 力场选择

2．2．2 模拟细节

2．2．3 模拟结果与讨论

2．3 水基纳米流体的分子动力学模拟

2．4 本章小结

3 新型离子液体基纳米流体的分子动力学模拟

3．1 引言

3．2 离子液体的量化计算

3．2．1 阴阳离子构型选择

3．2．2 离子液体几何优化

3．2．3 阴阳离子电荷计算

3．3 离子液体的分子动力学模拟

3．3．1 力场选择

3．3．2 模拟细节

3．3．3 模拟结果与讨论

3．4 离子液体基纳米流体的分子动力学模拟

3．4．1 力场选择

3．4．2 模拟细节

3．4．3 模拟结果与讨论

3．5 本章小结

4 离子液体二元溶液基纳米流体的分子动力学模拟

4．1 引言

4．2 离子液体二元溶液的分子动力学模拟

4．2．1 力场选择

4．2．2 模拟细节

4．2．3 模拟结果与讨论

4．3 离子液体二元溶液基纳米流体的分子动力学模拟

4．4 本章小结

5 纳米流体导热系数提高的机理解释

5．1 引言

5．2 粒子运动

5．3 微观结构

5．4 能量贡献

5．5 本章小结

结论

参考文献

附录

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致谢