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汽泡成核的分子动力学研究及纳米颗粒对成核的影响

王金照  
【摘要】:汽泡成核是自然界和工程领域中广泛存在的一类基本物理现象。由于难以对汽泡成核过程进行直接的实验观测,到目前为止汽泡成核机理的认识中仍存在一些有争议的问题。本文采用分子动力学方法模拟了汽泡成核过程,从分子水平上观察和分析了汽泡成核的过程和机理。同时,还研究了纳米颗粒对汽泡成核及沸腾换热的影响,并从成核的角度来分析实验中观察到的纳米颗粒显著提高池沸腾临界热流密度的原因。 以往汽泡成核过程的分子模拟因受计算能力的限制,只能得到汽泡成核过程的前期阶段。本文采用分子动力学并行计算,模拟了分子数为106的氩流体汽泡成核,得到了一个比较完整的汽泡成核过程。模拟结果表明汽泡是由过热液体中密度涨落形成的低密度汽核逐渐生长得到的,这一模拟结果与经典成核理论关于汽泡成核机理的假设一致。Kwak分子相互作用模型所假设的高能量分子聚集形成团簇,团簇达到不稳定状态后自发膨胀形成汽泡的成核机制在本文模拟中没有观察到。另外,对成核过程的定量分析表明在本文模拟中虽然临界汽核尺寸在纳米量级,但其形状仍接近于球形,其半径仍可由宏观的经典成核理论近似描述。 通过分子动力学模拟和理论分析研究了纳米颗粒对流体内部汽泡成核的影响。结果表明纳米颗粒尺寸越大、表面厌水性越强,颗粒对汽泡成核的影响越大。当纳米颗粒的半径不到均质成核临界核半径的1 2时,纳米颗粒对汽泡成核的影响已不明显。在常压下以水为母液的纳米流体池沸腾中,纳米颗粒的尺寸远小于临界核的尺寸,颗粒不能在流体内部成为新的核化点。 论文还对二氧化硅—水纳米流体的池沸腾换热进行了实验研究,和已有的纳米流体沸腾换热实验一样,发现加入少量的纳米颗粒可以显著提高流体沸腾换热的临界热流密度。为了分析其原因,本文对沸腾过程和加热表面进行了高速摄影和电镜分析,结果表明尽管纳米颗粒不能在流体内部成为新的核化点,但纳米颗粒沉积在加热丝表面上形成了微结构,提高了加热丝上的核化点密度,并对临界热流密度的提高起主要作用。


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