蒸气凝结的分子动力学研究

作     者：邬小波 

作者单位：重庆大学 

学位级别：硕士

导师姓名：刘朝

授予年度：2010年

学科分类：080703[工学-动力机械及工程] 08[工学] 0807[工学-动力工程及工程热物理] 

主      题：均匀核化 非均匀核化 核化率 Ni/YSZ 

摘      要：核化现象在凝结、沸腾、结晶、催化等众多工程问题中广泛存在并起着决定性作用。由于核化过程是一个从微观到宏观的物理过程,且其微观机制尚未得到全面的认识。本课题在统计热力学理论的基础上,从微观角度出发,采用分子动力学模拟方法,利用经典的Lennard-Jones(L-J)势函数对流体的核化过程进行了研究。 首先,对冷却速率为0.0002的二维均匀核化过程中凝结核的表面分维数进行了统计计算,得到了该条件下氩蒸气所形成的凝结核表面分维数为1.593。对均匀核化成核现象的团簇分析表明,蒸气凝结过程分为显热和潜热释放过程。提出了一个新的力函数模型,实现了非均匀核化过程的MD模拟。在比较冷却速率为0.0002的均匀核化过程和非均匀核化过程中,发现均匀核化的凝结核心是随机的,而非均匀核化的凝结核心以外界引入的核化点为核心。 其次,分别采用CNT预测、Cluster分析以及MFPT三种方法进行了氩蒸气均匀核化过程成核率计算。模拟结果表明,在相同条件下,Cluster分析法及MFPT方法得到的成核率在同一个数量级,而CNT预测的成核率比Cluster分析法及MFPT方法得到的成核率小三个数量级,其差异可由推导CNT成核率时对Cluster所做的平衡热力学假定进行解释。三者得到的临界Cluster分子数均为20左右。由Cluster分析方法可知,随着冷却脉冲强度的增大,成核率越大,这与实际均匀核化过程一致。 再次,对过热液相中的气相成核过程进行了研究。模拟结果表明液相中形成气泡经历三个过程:一是诱导过程,压力基本维持不变;二是气化核心形成,产生大量小气泡,压力快速上升;三是小气泡聚合形成大气泡,压力缓慢增大至平衡。模拟得到了液相中的气相成核率,较经典成核理论(CNT)预测的气相成核率大8个数量级;而且随着密度以及过热度的增大,液相中的气相成核率也随之增大,这一点与CNT一致。 最后,对固体燃料电池(SOFC)的阳极材料Ni/YSZ进行了模拟研究,重点对Ni/YSZ晶体模型的合理性进行了讨论。