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高温高压湿空气性质的分子动力学模拟研究

万黎明  
【摘要】:本课题针对新型热力循环中对高温高压湿空气热力学性质参数的需求,以湿空气透平和压缩空气蓄能系统中的工质为研究对象,依据统计热力学理论,采用分子动力学模拟研究方法,探讨了高温高压湿空气中水分子与氧分子和氮分子的相互作用特性。通过对比研究,确定了合理的计算湿空气性质的分子动力学模型,模拟计算了最高温度达600℃、压力40MPa、含湿量(水蒸气摩尔分数表示)0.445mol(water)/mol(humidity-air)下湿空气的PVT 参数。 本文主要研究内容如下: 1. 应用Lennard-Jones 势函数和TIP4P 势函数,对不同条件下纯水蒸汽压力进行了模拟计算。通过与实验值的比较,对用两种势函数模型计算的压力误差进行了分析,选择出适合于状态参数计算的分子动力学模拟的势函数模型。 2. 干空气状态参数计算中,采用维里压力公式计算处于低温、高密度态的气体压力时,模拟计算值与实验值有较大偏差。分析了偏差原因,提出了矫正的方法。 3. 采用范德华混合规则对含湿量从0.01 到0.445 的湿空气临界参数Pc、Vc、Tc进行了理论推导预测,给出了各含湿量下湿空气的临界参数。 4. 采用选择的势函数模型以及矫正后的维里压力公式,对湿空气的PVT 参数进行了模拟计算,并与相关实验数据进行了比较。 5. 模拟计算了水蒸气摩尔分数从0.03 到0.445 的7 个湿度,每个湿度下有10 ℃到600 ℃的12 条等温线,每条等温线上有9 个压力点的756 组PVT 参数。 6. 根据模拟所得的PVT 数据点,应用维里方程对不同含湿量下湿空气的状态方程进行了拟合,得到了对应含湿量下维里状态方程的第二、第三维里系数B、C 及B、C 与温度T 的关联公式。 7. 应用分形理论和分子动力学模拟方法,通过与标准布朗运动的类比,对实际分子运动的轨迹维数进行了理论分析。模拟了84K 恒温液氩系统中分子的运动过程,统计了不同空间观测尺度及时间观测尺度下分子运动轨迹的分维数。从分子平均自由程理论出发,给出了合理的统计尺度判定标准。 8. 对气液状态下氩分子运动在速度空间的演化相图进行了比较。对实际分子的分数布朗运动特性进行了讨论。应用本文提出的约化规模法,获得了不同温度条件下分子分数布朗运动的Hurst 指数和轨迹分维数


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