液滴冲击合金表面的莱顿弗罗斯特现象

作     者：阿依多斯·托力肯 

作者单位：华北电力大学(北京) 

学位级别：硕士

导师姓名：周乐平;冯彦杰

授予年度：2021年

学科分类：07[理学] 070205[理学-凝聚态物理] 0702[理学-物理学] 

主      题：表面温度 冲击速度 莱顿弗罗斯特现象 合金平板 分子动力学模拟 

摘      要：高温合金表面液态水的沸腾在蒸汽轮机和燃气轮机等应用中具有重要意义,因此有必要探讨莱顿弗罗斯特现象的机理。分子动力学模拟方法为在纳米尺度上研究这一现象提供了一条有效途径。然而,以往的研究并没有揭示高温合金表面液体分子的莱顿弗罗斯特效应。本文使用分子动力学模拟研究了合金金属表面温度和冲击速度对Fe-Cr高温合金板上纳米级液滴莱顿弗罗斯特现象的影响。本文对所使用Fe-Cr合金金属平板的模型,所使用的水分子模型进行了验证,确保模拟结果可靠有效。当表面温度高于798 K时,高温合金表面出现了莱顿弗罗斯特现象,水分子之间存在明显的温度、应力和压差。结果表明,莱顿弗罗斯特现象与高表面温度有关,而与冲击速度无关。此外,还发现莱顿弗罗斯特现象是蒸汽膜中存在的温差和压差的综合结果,热运动可以产生足够的动能导致液滴弹跳现象。进一步的研究表明,液滴大小也是影响莱顿弗罗斯特温度点的关键因素之一。从大体的趋势而看,液滴直径越小,莱顿弗罗斯特温度点越高。揭示的机理对于燃气轮机的设计是至关重要的,因为在显著提高燃气进口温度和使用蒸汽冷却或蒸汽/空气复合冷却的情况下,莱顿弗罗斯特现象应是决定蒸汽膜或蒸汽/空气复合气膜在叶片表面冷却效果的主要因素。