静电场作用下液滴聚并特性的分子动力学研究

作     者：范玉玲 

作者单位：中国石油大学(华东) 

学位级别：硕士

导师姓名：孙治谦

授予年度：2021年

学科分类：0809[工学-电子科学与技术（可授工学、理学学位）] 080704[工学-流体机械及工程] 08[工学] 080103[工学-流体力学] 0807[工学-动力工程及工程热物理] 0801[工学-力学（可授工学、理学学位）] 

主      题：微纳液滴 极化变形 静电聚并 分子动力学 

摘      要：在静电聚并过程中,液滴的极化变形和聚并是最基本的物理过程,涉及多个学科。目前,实验和宏观模拟研究难以从分子层面揭示液滴中粒子间复杂的相互作用,静电聚结机理尚未得到深刻揭示。本文通过GROMACS软件,对微纳液滴静电聚并过程进行模拟,得到系统内微观粒子的运动轨迹,并分析粒子间相互作用,从微观角度分析微纳液滴在电场作用下的聚并特性以及影响规律,为静电聚并机理的深入研究提供理论依据。一方面,本文运用分子动力学方法建立单液滴极化变形模型,对单液滴的极化变形、破碎行为及判据进行研究。通过改变电场强度、液滴粒径及无机盐等参数,研究液滴变形度的变化趋势,得到液滴破碎的临界电场参数变化规律。结果表明:分子间弱相互作用中的强吸引作用对液滴破碎影响最为显著;含盐液滴中离子影响液滴变形、破碎行为受离子对效应及离子水化作用影响较大。液滴破碎的临界电场强度在一定范围内随液滴半径的增加和离子浓度的增加而单调减小;在低电场下,液滴变形度随电场强度和液滴半径的增大而增大;在高电场下,液滴出现了不同的破碎模式,包括一端破碎、两端破碎和中心破碎。液滴半径为3nm,电场强度为1.0 V?nm条件下,当液滴浓度为0.675mol?L时,破碎时间最短,是因为此时液滴中自由离子数目最多,当离子浓度继续升高时,离子对数目增加而引起自由离子减少,从而增加液滴破碎时间。另一方面,本文利用分子动力学方法建立双液滴聚结模型,研究了双液滴聚结行为和聚结判据。改变电场强度、液滴尺寸、液滴间距以及离子浓度等参数,通过观察粒子运动轨迹,分析粒子间相互作用以及电荷分布等得到液滴的聚并机理,总结最优参数。结果表明:液滴聚并的直接动力是外加电场,增大电场强度能够促进液滴的聚并效率;离子的存在对液滴静电聚并起到促进作用的原因是在电场作用下,吸附层离子带动扩散层离子运动,加强了液滴极化;适当增加电场强度和无机盐浓度、减小液滴夹角可以提高液滴聚并效率,液滴中心距的选取需参考液滴中心距比。当液滴半径为2.0nm,选择电场强度为0.50 V?nm,液滴夹角为0°,液滴中心距为8nm以及1.25 mol?L的氯化钠浓度时,两液滴聚并时间最短。