創(chuàng)新研修課(《復(fù)雜多相流及過程強化》)-課程報告

創(chuàng)新研修課(《復(fù)雜多相流及過程強化》)-課程報告哈爾濱工業(yè)大學(xué)復(fù)雜多相流及過程強化技術(shù)——2013春季創(chuàng)新研修課程報告院系：能源科學(xué)與工程學(xué)院專業(yè)：班級：學(xué)號：姓名：2013年5月《復(fù)雜多相流及過程強化技術(shù)》課程報告目錄課程學(xué)習(xí)過程介紹········································１主要學(xué)習(xí)內(nèi)容············································１學(xué)習(xí)體會················································２報告（PPT）總結(jié)··········································2主要參考文獻············································13II.NeighborList技術(shù)：為每個分子建立一個相鄰分子表（如圖2.3所示）,表中注明可能對該分子的作用力有貢獻的分子,保持該列表在幾個時間步長中不變,通過查找列表來搜尋近鄰分子。為了使該列表在幾個時間步長中不變,在相鄰分子表建立時,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,只有當有分子可能從r>rs移動到r<rcut時,此表才被重建。圖圖2.3LinkCell是從空間方面進行加速的優(yōu)化策略,NeighborList是從時間角度出發(fā)實現(xiàn)的加速策略,利用NeighborList技術(shù)，相鄰分子表可以在若干時間步內(nèi)保持不變,因此這些時間步內(nèi)的分子搜索工作的代價是非常小,以至于可以忽略不計的。均質(zhì)汽泡成核的分子動力學(xué)模擬模擬方法與細節(jié)模擬系統(tǒng)是由106個氬原子組成。選用氬作為模擬對象是因為描述氬原子之間相互作用的Lennard-Jones勢能模型簡單、準確(如圖3.1所示)。勢能模型簡單,計算量小,便于模擬較大的系統(tǒng);模型準確,便于將模擬結(jié)果和實驗結(jié)果、理論預(yù)測結(jié)果進行對比。r為原子間距；ε為能量參數(shù)；σ為尺寸參數(shù)。且截斷半徑rcut=2.5σ圖圖3.1汽泡成核的實現(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入亞穩(wěn)定的過熱狀態(tài)。分子動力學(xué)模擬中保持系統(tǒng)壓力不變比較困難，已有的分子動力學(xué)模擬大都采用拉伸流體來實現(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分子動力學(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)果當飽和流體拉伸到過熱狀態(tài)時,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、尺寸在幾個分子到幾十個分子大小的、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,當漲落形成的汽核超過某一臨界尺寸的時候，汽核會自發(fā)的生長下去。在汽核生長的過程中,分子不斷進入汽核,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液體承受的最大負壓當飽和液體拉伸到壓力P=-30.1MPa（ρ=1142kg/m3）時,模擬域中的汽核開始出現(xiàn)連續(xù)生長,系統(tǒng)的壓力也出現(xiàn)明顯的上升;當飽和液體拉伸到壓力P=-29.4MPa（ρ=1158kg/m3）時,系統(tǒng)的壓力在整個模擬過程中(106步,20ns)沒有明顯的上升,因此認為-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壓。汽核的形狀當汽核剛從液相中生成的時候，其形狀與球形有一定程度的偏離，但當汽核的折合半徑長大2nm時，汽核的形狀已經(jīng)非常接近球形，當汽核的形狀達到10nm時，汽泡的形狀幾乎接近完美的球形（如圖3.4），因為此時汽核的非球度已接近于零。圖圖3.4模擬結(jié)果對成核理論的考證經(jīng)典成核理論認為當飽和液體等壓加熱或等溫拉伸時,過熱液體中分子無序運動所導(dǎo)致的局模擬方法與細節(jié)模擬系統(tǒng)是由1個納米顆粒和它周圍的氬原子組成的（如圖4.1所示）。汽泡成核的實現(xiàn)方法與均質(zhì)汽泡成核的實現(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的作用對流體內(nèi)部汽泡成核起到促進作用。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,對汽泡成核的促進作用越明顯（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，這些汽核逐漸長大，在長大的過程中，不斷有分子進入汽核，最后形成了含有很多汽相分子的圍繞納米顆粒生長出來的汽泡（如圖4.3）。圖圖4.3納米顆粒對汽泡成核影響的理論分析對于異質(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)模分子動力學(xué)計算,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簇,團簇達到不穩(wěn)定狀態(tài)后膨脹形成汽泡的成核機制在模擬中沒有觀察到。采用分子動力學(xué)模擬和理論分析的方法研究了納米顆粒對流體內(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,納米顆粒對汽泡成核的影響越大。主要參考文獻[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[J]．中國電機工程學(xué)報，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，1979，(3)：123-136．[3]廖濤，付東．均質(zhì)汽-液成核機理及特性研究進展[J]．華北電力大學(xué)學(xué)報，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力學(xué)模擬[J]．工程