创新研修课(《复杂多相流及过程强化》)-课程报告

创新研修课(《复杂多相流及过程强化》)-课程报告哈尔滨工业大学复杂多相流及过程强化技术——2013春季创新研修课程报告院系：能源科学与工程学院专业：班级：学号：姓名：2013年5月《复杂多相流及过程强化技术》课程报告目录课程学习过程介绍········································１主要学习内容············································１学习体会················································２报告（PPT）总结··········································2主要参考文献············································13II.NeighborList技术：为每个分子建立一个相邻分子表（如图2.3所示）,表中注明可能对该分子的作用力有贡献的分子,保持该列表在几个时间步长中不变,通过查找列表来搜寻近邻分子。为了使该列表在几个时间步长中不变,在相邻分子表建立时,列表中不仅包括了作用距离rs=rcut,的分子,而且作用距离rs=rcut+δ以内的分子,只有当有分子可能从r>rs移动到r<rcut时,此表才被重建。图图2.3LinkCell是从空间方面进行加速的优化策略,NeighborList是从时间角度出发实现的加速策略,利用NeighborList技术，相邻分子表可以在若干时间步内保持不变,因此这些时间步内的分子搜索工作的代价是非常小,以至于可以忽略不计的。均质汽泡成核的分子动力学模拟模拟方法与细节模拟系统是由106个氩原子组成。选用氩作为模拟对象是因为描述氩原子之间相互作用的Lennard-Jones势能模型简单、准确(如图3.1所示)。势能模型简单,计算量小,便于模拟较大的系统;模型准确,便于将模拟结果和实验结果、理论预测结果进行对比。r为原子间距；ε为能量参数；σ为尺寸参数。且截断半径rcut=2.5σ图图3.1汽泡成核的实现方法，在等压条件下加热饱和流体或在等温条件下拉伸饱和流体都可以使液体进入亚稳定的过热状态。分子动力学模拟中保持系统压力不变比较困难，已有的分子动力学模拟大都采用拉伸流体来实现流体的过热并模拟气泡成核。模拟中流体的拉伸是在一个分子动力学步通过增大系统分子间距离来完成的。成核过程的模拟结果当饱和流体拉伸到过热状态时,流体中出现了明显的密度涨落。饱和流体拉伸到ρ=1142kg/m3后流体中以某一位置为中心的不同大小的球形区域内密度随时间的变化。密度涨落使得过热液体中形成大量数目的、尺寸在几个分子到几十个分子大小的、低密度的汽相胚核（如图3.2所示）。这些汽核主要以空穴的形式出现。图图3.2图3.3从上述关于过热流体内部涨落以及汽泡形成过程的模拟观测来看汽泡过程如下:密度涨落在液体中形成低密度的汽核,当涨落形成的汽核超过某一临界尺寸的时候，汽核会自发的生长下去。在汽核生长的过程中,分子不断进入汽核,最终形成内部存在大量汽相分子的汽泡（如图3.3）。图3.3液体承受的最大负压当饱和液体拉伸到压力P=-30.1MPa（ρ=1142kg/m3）时,模拟域中的汽核开始出现连续生长,系统的压力也出现明显的上升;当饱和液体拉伸到压力P=-29.4MPa（ρ=1158kg/m3）时,系统的压力在整个模拟过程中(106步,20ns)没有明显的上升,因此认为-30.1MPa是96K的氢流体在20ns内不发生汽泡成核所能承受的最大负压。汽核的形状当汽核刚从液相中生成的时候，其形状与球形有一定程度的偏离，但当汽核的折合半径长大2nm时，汽核的形状已经非常接近球形，当汽核的形状达到10nm时，汽泡的形状几乎接近完美的球形（如图3.4），因为此时汽核的非球度已接近于零。图图3.4模拟结果对成核理论的考证经典成核理论认为当饱和液体等压加热或等温拉伸时,过热液体中分子无序运动所导致的局模拟方法与细节模拟系统是由1个纳米颗粒和它周围的氩原子组成的（如图4.1所示）。汽泡成核的实现方法与均质汽泡成核的实现方法类似，首先是将含有纳米颗粒的系统保持在饱和液体状态（T=96K,ρ=1336kg/m3），然后将系统拉伸到不同的状态。模拟结果在一定的条件下,纳米颗粒在液体中起到了核化点的作用对流体内部汽泡成核起到促进作用。纳米颗粒越大,流体发生汽泡成核所需的过热度越小,说明纳米颗粒尺寸越大,对汽泡成核的促进作用越明显（如图4.2）。图4.2图4.2图4.1纳米颗粒的表面首先出现球冠状的汽核，这些汽核逐渐长大，在长大的过程中，不断有分子进入汽核，最后形成了含有很多汽相分子的围绕纳米颗粒生长出来的汽泡（如图4.3）。图图4.3纳米颗粒对汽泡成核影响的理论分析对于异质成核,由于有异质的壁面存在,在分析汽泡成核功的时候,不仅要考虑形成汽液界面所作的功,而且还要考虑原有液固界面变为汽固界面所作的功。将纳米颗粒上汽泡成核过程抽象成图4.4所示的球形表面形成球冠状汽核。通过分析形成球冠状汽核所做的功来研究纳米颗粒对汽泡成核的影响（图4.5）。图4.5图4.5图4.4总结模拟得到了比较完整的汽泡形成过程。由于采用了大规模分子动力学计算,模拟不仅得到了前人模拟中以空穴形式出现的汽核,而且还观察到汽核逐渐生长并最终形成了内部有大量分子存在的真正意义上的汽泡的过程。模拟显示汽泡是由过热流体中密度涨落形成的低密度汽核长大形成的。这一结果与经典成核理论关于汽泡成核机理的假设一致。Kwak分子相互作用模型所假设的高能量分子聚集形成团簇,团簇达到不稳定状态后膨胀形成汽泡的成核机制在模拟中没有观察到。采用分子动力学模拟和理论分析的方法研究了纳米颗粒对流体内部汽泡成核的影响。模拟和分析结果表明纳米颗粒尺寸越大、表面的厌水性越强,纳米颗粒对汽泡成核的影响越大。主要参考文献[1]贾涛，刁彦华，唐大伟等．核态沸腾中汽化核心密度的预测[J]．中国电机工程学报，2006，26(16)：122-125．[2]朱亚男．关于非均匀成核理论[J]．山东大学学报，1979，(3)：123-136．[3]廖涛，付东．均质汽-液成核机理及特性研究进展[J]．华北电力大学学报，2008，35(4)：79-82．[4]邬小波，刘朝，宋粉红．液相汽相成核率的分子动力学模拟[J]．工程