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伴有异质凝结的气固相互作用数值研究

王子敬  
【摘要】:异质凝结现象在日常生活中广泛存在,近年来我国人民深受其害的雾霾污染就起始于大气颗粒物的异质凝结过程。真实条件下的异质凝结影响因素众多,现有的异质凝结理论在成核率、增长率、凝结核-液滴转换及演化规律等方面均存在不足。本文采用分子动力学(MD)方法,建立了基于气固相互作用模型的异质凝结微观研究体系,对伴有凝结的气固相互过程进行了直接模拟和精细建模探索,为完善异质凝结理论奠定了基础。利用分子动力学模拟研究了高饱和度水蒸气在不溶性纳米颗粒表面凝结的初期过程,主要关注颗粒表面曲率和润湿性的影响。结果表明,水蒸气成核存在两个线性阶段。在第一阶段中,水蒸气分子单体首先被壁面吸附,之后通过随机迁移运动,在表面上随机形成团簇。成核速率会受到朝向颗粒表面运动的分子数通量和吸附概率的共同影响。前者随表面曲率减小而降低,后者与气固相互作用强度成正比。在第二阶段中,表面同时会吸附空间中的水分子单体和同质凝结产生的水分子团簇。由于对小颗粒的空间限制,成核速率因吸附同质团簇而提高,因颗粒表面团簇融合而降低,导致此阶段成核速率基本上不受颗粒半径的影响。凝结前期团簇平均尺寸较小且在一段时间内基本不变,随后开始增长且生长速率逐渐增大。分子动力学计算量巨大,直接模拟真实条件下的异质凝结完整过程非常困难且效率极低。本文将异质凝结分解为分子尺度的气固相互作用与颗粒尺度的凝结增长等两个过程,对更基础的前一过程开发了基于GPU平台的分子动力学并行算法,使得计算时间降低两个量级,成功实现对气固相互作用过程的直接模拟。进而,以大量的直接模拟数据为基础,应用机器学习方法构建更精确的相互作用模型。对不可凝结气体与固壁的相互作用进行了直接模拟。结果表明,经典散射核模型均不能重现数值模拟结果。为此,以经典Cercignani-Lampis-Lord(CLL)模型为基础,建立了修正CLL(MCLL)、联合散射核(JK)等两种改进模型。MCLL模型放弃CLL模型调节系数为常数的假设,给定了调节系数与入射状态的定量关系,能够准确预测MD模拟统计得到的同方向反射-入射速度对概率密度分布。JK模型由三个调节系数为常数的类CLL散射核线性组合而成,能够准确捕捉反射速度与不同方向入射速度的相关性。与分子束的数值实验进行验证,新构建的散射核与MD结果均基本吻合。随后,改变气固相互作用强度,研究了伴有凝结的气固相互作用模型。针对大比例气体分子被颗粒表面吸附的现象,统计、分析碰撞次数与相互作用时间的特征,建立了可靠且精细的微观凝结判据,将气体分子与壁面作用之后的状态分为吸附和散射两大类,对前者建立了吸附概率模型,对后者以MCLL模型、JK模型为基础,建立了相应的非平衡散射核模型,获得了模型参数与相互作用强度的定量关系。


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