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某些热现象的分子动力学研究

熊大曦  
【摘要】:微尺度条件下的换热、快速加热以及某些相变传热等现象用传统的研究方法和研究手段难以进行研究,而分子模拟技术则有可能成为研究这些传热现象的一种有效手段。本文用分子动力学方法模拟了系统的热力学参数和输运系数,并探讨了扰动在介质中的传播机理,最后分析和讨论了汽液界面中的相变现象。 用分子动力学模拟得到了系统的基本参数如能量、速度和速率的分布、平均自由程、平均碰撞时间,热力学参数如定容比热和压力,以及输运系数如自扩散系数等,将模拟的结果与实验数据比较,发现两者能够较好地符合。 用分子动力学模拟了微小空间(10nm量级)内热力学参数的关系,结果表明,范德瓦尔斯方程所预示的连续相变(包括亚稳定和不稳定区)都能实现,从而提出了微小空间(特征尺寸与汽泡或液滴的临界直径同一量级时)中能实现无相分离的汽液连续相变。 为了尽可能地减少计算工作量,讨论了系统参数与维数的关系,并建立了相应的近似理论关系式。运用一维分子动力学方法计算了Ar分子系统的热力学参数和输运系数,并与三维计算值和实验值分别进行了比较,发现它们有较好的一致性。与常规的三维分子动力学模拟相比,一维分子动力学模拟能大大减少计算时间,从而能计算更多分子数目的体系,使模拟结果有可能更接近于真实结果。本文还应用一维两分子理论模型计算的氩气导热系数,发现它与实验值随压力、比容及温度变化的趋势是一致的。 热是以扩散方式还是以波动方式传播一直是人们关注的问题,热波现象也是近几十年的研究热点。由于热波的存在条件极为苛刻(时间和空间尺度都很小),用常规的实验方法难以进行研究,而分子动力学方法能够较方便地模拟研究远离平衡态的热波问题。通过分子动力学模拟可以看到,压力扰动在液氩中是以波动形式传播的,模拟中可以明显地观察


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