創(chuàng)新研修課(《復(fù)雜多相流及過程強(qiáng)化》)-課程報(bào)告

創(chuàng)新研修課(《復(fù)雜多相流及過程強(qiáng)化》)-課程報(bào)告哈爾濱工業(yè)大學(xué)復(fù)雜多相流及過程強(qiáng)化技術(shù)——2013春季創(chuàng)新研修課程報(bào)告院系：能源科學(xué)與工程學(xué)院專業(yè)：班級(jí)：學(xué)號(hào)：姓名：2013年5月《復(fù)雜多相流及過程強(qiáng)化技術(shù)》課程報(bào)告目錄課程學(xué)習(xí)過程介紹········································１主要學(xué)習(xí)內(nèi)容············································１學(xué)習(xí)體會(huì)················································２報(bào)告（PPT）總結(jié)··········································2主要參考文獻(xiàn)············································13II.NeighborList技術(shù)：為每個(gè)分子建立一個(gè)相鄰分子表（如圖2.3所示）,表中注明可能對(duì)該分子的作用力有貢獻(xiàn)的分子,保持該列表在幾個(gè)時(shí)間步長(zhǎng)中不變,通過查找列表來搜尋近鄰分子。為了使該列表在幾個(gè)時(shí)間步長(zhǎng)中不變,在相鄰分子表建立時(shí),列表中不僅包括了作用距離rs=rcut,的分子,而且作用距離rs=rcut+δ以內(nèi)的分子,只有當(dāng)有分子可能從r>rs移動(dòng)到r<rcut時(shí),此表才被重建。圖圖2.3LinkCell是從空間方面進(jìn)行加速的優(yōu)化策略,NeighborList是從時(shí)間角度出發(fā)實(shí)現(xiàn)的加速策略,利用NeighborList技術(shù)，相鄰分子表可以在若干時(shí)間步內(nèi)保持不變,因此這些時(shí)間步內(nèi)的分子搜索工作的代價(jià)是非常小,以至于可以忽略不計(jì)的。均質(zhì)汽泡成核的分子動(dòng)力學(xué)模擬模擬方法與細(xì)節(jié)模擬系統(tǒng)是由106個(gè)氬原子組成。選用氬作為模擬對(duì)象是因?yàn)槊枋鰵逶又g相互作用的Lennard-Jones勢(shì)能模型簡(jiǎn)單、準(zhǔn)確(如圖3.1所示)。勢(shì)能模型簡(jiǎn)單,計(jì)算量小,便于模擬較大的系統(tǒng);模型準(zhǔn)確,便于將模擬結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果、理論預(yù)測(cè)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。r為原子間距；ε為能量參數(shù)；σ為尺寸參數(shù)。且截?cái)喟霃絩cut=2.5σ圖圖3.1汽泡成核的實(shí)現(xiàn)方法，在等壓條件下加熱飽和流體或在等溫條件下拉伸飽和流體都可以使液體進(jìn)入亞穩(wěn)定的過熱狀態(tài)。分子動(dòng)力學(xué)模擬中保持系統(tǒng)壓力不變比較困難，已有的分子動(dòng)力學(xué)模擬大都采用拉伸流體來實(shí)現(xiàn)流體的過熱并模擬氣泡成核。模擬中流體的拉伸是在一個(gè)分子動(dòng)力學(xué)步通過增大系統(tǒng)分子間距離來完成的。成核過程的模擬結(jié)果當(dāng)飽和流體拉伸到過熱狀態(tài)時(shí),流體中出現(xiàn)了明顯的密度漲落。飽和流體拉伸到ρ=1142kg/m3后流體中以某一位置為中心的不同大小的球形區(qū)域內(nèi)密度隨時(shí)間的變化。密度漲落使得過熱液體中形成大量數(shù)目的、尺寸在幾個(gè)分子到幾十個(gè)分子大小的、低密度的汽相胚核（如圖3.2所示）。這些汽核主要以空穴的形式出現(xiàn)。圖圖3.2圖3.3從上述關(guān)于過熱流體內(nèi)部漲落以及汽泡形成過程的模擬觀測(cè)來看汽泡過程如下:密度漲落在液體中形成低密度的汽核,當(dāng)漲落形成的汽核超過某一臨界尺寸的時(shí)候，汽核會(huì)自發(fā)的生長(zhǎng)下去。在汽核生長(zhǎng)的過程中,分子不斷進(jìn)入汽核,最終形成內(nèi)部存在大量汽相分子的汽泡（如圖3.3）。圖3.3液體承受的最大負(fù)壓當(dāng)飽和液體拉伸到壓力P=-30.1MPa（ρ=1142kg/m3）時(shí),模擬域中的汽核開始出現(xiàn)連續(xù)生長(zhǎng),系統(tǒng)的壓力也出現(xiàn)明顯的上升;當(dāng)飽和液體拉伸到壓力P=-29.4MPa（ρ=1158kg/m3）時(shí),系統(tǒng)的壓力在整個(gè)模擬過程中(106步,20ns)沒有明顯的上升,因此認(rèn)為-30.1MPa是96K的氫流體在20ns內(nèi)不發(fā)生汽泡成核所能承受的最大負(fù)壓。汽核的形狀當(dāng)汽核剛從液相中生成的時(shí)候，其形狀與球形有一定程度的偏離，但當(dāng)汽核的折合半徑長(zhǎng)大2nm時(shí)，汽核的形狀已經(jīng)非常接近球形，當(dāng)汽核的形狀達(dá)到10nm時(shí)，汽泡的形狀幾乎接近完美的球形（如圖3.4），因?yàn)榇藭r(shí)汽核的非球度已接近于零。圖圖3.4模擬結(jié)果對(duì)成核理論的考證經(jīng)典成核理論認(rèn)為當(dāng)飽和液體等壓加熱或等溫拉伸時(shí),過熱液體中分子無序運(yùn)動(dòng)所導(dǎo)致的局模擬方法與細(xì)節(jié)模擬系統(tǒng)是由1個(gè)納米顆粒和它周圍的氬原子組成的（如圖4.1所示）。汽泡成核的實(shí)現(xiàn)方法與均質(zhì)汽泡成核的實(shí)現(xiàn)方法類似，首先是將含有納米顆粒的系統(tǒng)保持在飽和液體狀態(tài)（T=96K,ρ=1336kg/m3），然后將系統(tǒng)拉伸到不同的狀態(tài)。模擬結(jié)果在一定的條件下,納米顆粒在液體中起到了核化點(diǎn)的作用對(duì)流體內(nèi)部汽泡成核起到促進(jìn)作用。納米顆粒越大,流體發(fā)生汽泡成核所需的過熱度越小,說明納米顆粒尺寸越大,對(duì)汽泡成核的促進(jìn)作用越明顯（如圖4.2）。圖4.2圖4.2圖4.1納米顆粒的表面首先出現(xiàn)球冠狀的汽核，這些汽核逐漸長(zhǎng)大，在長(zhǎng)大的過程中，不斷有分子進(jìn)入汽核，最后形成了含有很多汽相分子的圍繞納米顆粒生長(zhǎng)出來的汽泡（如圖4.3）。圖圖4.3納米顆粒對(duì)汽泡成核影響的理論分析對(duì)于異質(zhì)成核,由于有異質(zhì)的壁面存在,在分析汽泡成核功的時(shí)候,不僅要考慮形成汽液界面所作的功,而且還要考慮原有液固界面變?yōu)槠探缑嫠鞯墓?。將納米顆粒上汽泡成核過程抽象成圖4.4所示的球形表面形成球冠狀汽核。通過分析形成球冠狀汽核所做的功來研究納米顆粒對(duì)汽泡成核的影響（圖4.5）。圖4.5圖4.5圖4.4總結(jié)模擬得到了比較完整的汽泡形成過程。由于采用了大規(guī)模分子動(dòng)力學(xué)計(jì)算,模擬不僅得到了前人模擬中以空穴形式出現(xiàn)的汽核,而且還觀察到汽核逐漸生長(zhǎng)并最終形成了內(nèi)部有大量分子存在的真正意義上的汽泡的過程。模擬顯示汽泡是由過熱流體中密度漲落形成的低密度汽核長(zhǎng)大形成的。這一結(jié)果與經(jīng)典成核理論關(guān)于汽泡成核機(jī)理的假設(shè)一致。Kwak分子相互作用模型所假設(shè)的高能量分子聚集形成團(tuán)簇,團(tuán)簇達(dá)到不穩(wěn)定狀態(tài)后膨脹形成汽泡的成核機(jī)制在模擬中沒有觀察到。采用分子動(dòng)力學(xué)模擬和理論分析的方法研究了納米顆粒對(duì)流體內(nèi)部汽泡成核的影響。模擬和分析結(jié)果表明納米顆粒尺寸越大、表面的厭水性越強(qiáng),納米顆粒對(duì)汽泡成核的影響越大。主要參考文獻(xiàn)[1]賈濤，刁彥華，唐大偉等．核態(tài)沸騰中汽化核心密度的預(yù)測(cè)[J]．中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2006，26(16)：122-125．[2]朱亞男．關(guān)于非均勻成核理論[J]．山東大學(xué)學(xué)報(bào)，1979，(3)：123-136．[3]廖濤，付東．均質(zhì)汽-液成核機(jī)理及特性研究進(jìn)展[J]．華北電力大學(xué)學(xué)報(bào)，2008，35(4)：79-82．[4]鄔小波，劉朝，宋粉紅．液相汽相成核率的分子動(dòng)力學(xué)模擬[J]．工程