气液界面特性的分子动力学模拟研究

摘要

随着钢铁和化工等行业的飞速发展,工业上对各种纯质气体的需求越来越大,空分系统逐渐向超大型化和低能耗化转变,实现这种转变的一个关键是能够准确预测多相多元混合工质的热物性。气液界面特性是掌握流体热物性的基础,也是研究相间传质传热特性的重点。文中基于分子动力学方法,采用截断移位Le nnard-Jo nes12-6势能函数模型来描述原子间的相互作用,研究了双原子氧和氮的气液界面现象、氩氪混合物液滴的热力学性质以及氩的输运性质。
　　本文考虑分子内部原子间键的谐振作用,采用双原子模型研究了氧和氮的气液界面特性。首先根据实验测得的氧气和氮气的气液相密度和饱和压强值,确定了氧原子和氮原子的分子模拟参数,并验证了该参数的可靠性和程序的正确性。接着模拟获得了双原子氧气和氮气在气液界面附近的压力张量及表面张力等性质。然后结合空分系统中的精馏过程,模拟获得了液滴内组分浓度随时间和温度的变化曲线。结果表明,初期蒸发效果明显,液滴内氩和氪的原子数迅速减少,温度越高,减少得越快;之后趋向一个平衡状态,氩氪浓度达到平衡;平衡时,温度越高,氩的浓度越低,氪的浓度越高。最后对氩的输运性质进行了模拟,获得了氩的粘性系数随温度、压强的变化曲线以及热传导系数随温度的变化曲线,与实验值吻合良好,为进一步研究界面非平衡区的输运性质奠定了基础。采用分子动力学方法可以容易获得任意多组分及浓度下的各种物性参数,可有效弥补实验不足。

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表清单

1 绪论

1. 1 研究背景

1. 2 气液界面特性的研究现状

1. 3 论文的主要内容

1. 4 论文的创新点

2 分子动力学方法

2. 1 引言

2. 2 分子动力学模拟细节

2. 3 无量纲化

2. 4 边界条件

2. 5 邻居列表技术

2. 6 控制方法

2.7 Lammps程序

2. 8 本章小结

3 双原子分子的气液界面特性研究

3. 1 模拟细节

3. 2 气液界面结构

3. 3 势能参数的验证

3. 4 结果分析

3. 5 本章小结

4 纳米液滴的分子动力学研究

4. 1 模拟细节

4. 2 结果分析

4. 3 本章小结

5 氩的输运性质的研究

5. 1 模拟细节

5. 2 输运性质

5. 3 结果分析

5. 4 本章小结

6 总结与展望

6. 1 全文总结

6. 2 展望

参考文献

作者简介