基于格子Boltzmann方法的液滴沿固壁铺展动态过程模拟

矿井喷雾降尘是利用水雾使粉尘润湿沉降的过程,考虑到固体与液体间分子作用力,本文采用格子Boltzmann方法对液滴沿固壁铺展的动力学行为进行了数值模拟,结果发现铺展直径及动态接触角随时间呈指数规律,确定了液滴表面张力与铺展最大直径间的关系,固壁润湿性对铺展最大速度值影响较大,这些与物理试验及文献结果符合良好. 进一步考察了疏水性强的固壁,发现当液滴表面张力足够小时,铺展接触角可以在90°以下,与理论公式符合. 研究发现铺展过程中伴随着振荡,且铺展到最大时液膜有回缩趋势. 关键词： 液滴 格子Boltzmann方法 铺展 数值模拟     

纳米尺度下气泡核化生长的分子动力学研究

采用分子动力学方法模拟纳米尺度下液体在固体壁面上发生核化沸腾的过程,主要研究壁面浸润性对气泡初始核化过程和气泡生长速率的影响以及固-液界面效应在液体核化沸腾的能量传递过程中所起到的作用.研究结果发现：壁面浸润性越强,气泡在固壁处越容易核化.该结果与经典核化理论中“疏水壁面易于产生气泡”的现象产生了明显的区别.其根本原因是在纳米尺度下,固-液界面热阻效应不能被忽略.一方面,在相同的壁温下,通过增强固-液相互作用,可以显著降低界面热阻,使得热量传递效率提高,导致靠近壁面处的流体温度升高,气泡核化等待时间缩短,有利于液体沸腾核化.另一方面,气泡的生长速率随着壁面浸润性的增强而明显升高.当气泡体积生长到一定程度时,会在壁面处形成气膜,从而导致壁面传热性能恶化.因此,通过壁面的热流密度呈现出先增大后减小的规律.     

粗糙壁面间界面换热的分子动力学模拟

采用非平衡态分子动力学方法研究了纳米尺度下固体壁面润湿性和粗糙元对固液界面换热的影响。固液界面由铂固壁与液体氩接触形成,并在固壁上分布着不同形状的粗糙元,包括三角形、矩形、正弦和随机形状,通过虚拟原子法将两侧固壁恒定于不同温度,通过USHER法使液体密度恒为定值。模拟结果表明：（1）润湿性越小、粗糙元面积比率越大,界面...     

尺寸效应对微通道内固液界面温度边界的影响

采用非平衡分子动力学方法模拟不同浸润性微通道内液体的传热过程,分析了尺寸效应对固液界面热阻及温度阶跃的影响.研究结果表明,界面热阻随微通道尺寸的变化可分为两个阶段,即小尺寸微通道的单调递增阶段和大尺寸微通道的恒定值阶段.随着微通道尺寸的增加,近壁区液体原子受对侧固体原子的约束程度降低,微通道中央的液体原子自由移动,固液原子振动态密度近似不变,使得尺寸效应的影响忽略不计.上述两种阶段的微通道尺寸过渡阈值受固液作用强度与壁面温度的共同作用:减弱壁面浸润性,过渡阈值向大尺寸区域迁移;相较于低温壁面,高温壁面处的过渡阈值更大.增加微通道尺寸,固液界面温度阶跃呈单调递减趋势,致使壁面温度边界和宏观尺度下逐渐符合.探讨尺寸效应有助于深刻理解固液界面能量输运及传递机制.     

曲面固壁附近空化泡溃灭动力学的 流体体积数值研究*

流体体积法(VOF)可以便捷、高效地实现对多相流界面的捕捉和追踪。本文基于VOF方法,对单个空化泡在曲面固壁附近的运动进行了数值模拟,从实验对比、压力场、速度场、温度场演化、溃灭时间、射流速度、固壁温度等方面分析了空化泡溃灭过程的热动力学影响。结果表明,数值模拟得到的空化泡形态演化与实验观测到的现象一致,随着位置参数、泡内外压差及曲面固壁尺寸的改变,空化泡热动力学行为也将发生变化,受到流体运动及射流冲击的影响,溃灭瞬间产生的高温高压使得曲面固壁温度升高。本文研究的曲面固壁附近空化泡溃灭效应,揭示了空化泡与曲面固壁间的相互作用规律,对学术研究及工程应用都具有重要意义。     

一种新型光滑粒子动力学固壁边界施加模型

由于Lagrange粒子法的本质, 固壁边界条件的施加一直是光滑粒子动力学方法的难点之一. 本文从固壁边界的物理原理出发, 应用多层虚粒子表征固壁边界, 提出了一种新型固壁边界施加模型. 将虚粒子看作流体的扩展, 计算中虚粒子密度保持不变, 压力、速度等参数通过对流体粒子的插值获得, 虚粒子有条件的参与控制方程的计算, 对流体的密度/压力产生影响, 通过压力梯度隐式地表征壁面与流体之间的作用强度并对流体粒子施加沿壁面法线方向的斥力作用, 防止流体粒子对壁面的穿透. 数值算例测试结果表明, 与现有固壁边界施加方法相比, 本文方法更加符合流体与固壁边界作用的物理原理, 可以简单、有效地施加固壁边界条件, 方便地应用于具有复杂几何边界的问题, 获得稳定的流场形态、规则的粒子秩序及良好的速度、压力等参量的分布.     

激光加热过程中稳态等温相变的数值模拟

本文对激光加热过程中稳态等温相变进行了数值模拟，结果表明，激光加热所产生的熔池内的液体在表面张力与浮力的联合作用下，形成顺时针的涡旋运动；在激光加热功率密度比较小时，可以忽略对流对传热的影响；随着功率密度的加大，对流的作用增强，其影响不可忽视。     

液相中气相成核率的分子动力学模拟

本文运用分子动力学模拟方法对氩过热液相中的气相成核过程进行了研究。模拟结果表明液相中形成气泡经历三个过程:一是诱导过程,系统压力基本维持不变;二是气化核心形成,产生大量小气核,系统压力快速上升;三是小气核聚合形成大气核,系统压力缓慢增大至平衡。模拟得到了液相中的气相成核率,较经典成核理论(CNT)预测的气相成核率大8个数量级。随着模拟系统密度以及过热度的增大,液相中的气相成核率也随之增大,与CNT的结论一致。     

纳米颗粒影响沸腾换热特性的分子动力学模拟

本文采用分子动力学方法对纳米流体在金属表面的沸腾现象进行研究,揭示纳米流体的沸腾换热机制。模拟系统分为蒸汽氩、液体氩、固体铜板和铜纳米颗粒四部分。着重探讨了近壁区的纳米颗粒对沸腾换热的影响。在高过热度和低过热度两种加热情况下,探讨纳米流体和基础流体的沸腾现象。结果表明纳米颗粒的添加对沸腾过程有显著的影响:氩的温度、系统净蒸发率显著提高。近壁区的纳米颗粒做无规则运动并且不随流体运动。颗粒的尺寸及过热度对强化效果有显著影响。     

外力场对冷凝过程影响的分子动力学模拟研究

固壁表面发生的冷凝过程在工程应用中广泛存在,本文采用非平衡分子动力学模拟方法对高温蒸气在低温壁面上发生的冷凝过程进行了模拟研究.着重对该过程中的密度和局部温度等热力学参数分布进行了研究.同时,考察了两种气固温差条件下,壁面内、外法线方向上,不同强度的外力场对冷凝过程的影响,得到了结论:外力场是壁面内法线方向时促进冷凝进行,反之则阻碍冷凝进行,力场强度越大则影响效果越显著;当外力场一定时,气固温差越小,则外力场的相对影响程度越大.     

A novel fluid–wall heat transfer model for molecular dynamics simulations

The ‘fluid–wall thermal equilibrium model’, to numerically simulate heating/cooling of fluid atoms by wall atoms, is used to compare molecular dynamics simulation results to the analytical solution of 1-D heat equation. Liquid argon atoms are placed between two platinum walls and simultaneous heating and cooling is simulated at the walls. Temperature gradient in liquid argon is evaluated and the results are found to match well with the analytical solution showing the physical soundness of the proposed model. Additional simulations are done where liquid argon atoms are heated by both the walls for two different channel heights and it is shown that in such cases, heat transfer occurs at a faster rate than predicted by heat equation with decreasing channel heights.     

水滴撞击结冰过程的分子动力学模拟

利用三维分子动力学模拟方法,研究了纳米尺度水滴撞击冷壁面的结冰过程.数值模拟中,统计系统采用微正则系综,势能函数选用TIP4P/ice模型,温度校正使用速度定标法,牛顿运动方程的求解采用文莱特算法,水滴内部结冰过程则通过统计垂直方向水分子温度分布来判定.研究发现,当冷壁面温度降低时,水滴完全结冰的时间减小,但水滴降至壁面温度的时间却增大;同时随着壁面亲水性降低,水滴内部热传递速度减慢(尤其是冷壁面与水滴底端分子层间),水滴内部温度趋于均匀,但水滴完全结冰时间延长.     

Effect of nanostructures on evaporation and explosive boiling of thin liquid films: a molecular dynamics study

Molecular dynamics simulations have been employed to investigate the boiling phenomena of thin liquid films adsorbed on a nanostructured solid surface. The molecular system was comprised of the following: solid platinum wall, liquid argon, and argon vapor. A few layers of the liquid argon were placed on the nanoposts decorated solid surface. The nanoposts height was varied keeping the liquid film thickness constant to capture three scenarios: (i) liquid-film thickness is higher than the height of the nanoposts, (ii) liquid-film and nanoposts are of same height, and (iii) liquid-film thickness is less than the height of the nanoposts. The rest of the simulation box was filled with argon vapor. The simulation was started from its initial configuration, and once the equilibrium of the three phase system was established, the wall was suddenly heated to a higher temperature which resembles an ultrafast laser heating. Two different jump temperatures were selected: a few degrees above the boiling point to initiate normal evaporation and far above the critical point to initiate explosive boiling. Simulation results indicate nanostructures play a significant role in both cases: Argon responds very quickly for the nanostructured surface, the transition from liquid to vapor becomes more gradual, and the evaporation rate increases with the nanoposts height.     

纳米通道内液态微流动密度分布特性数值模拟研究

微通道内流动因表面积/体积比值极大, 造成许多微尺度效应, 进而使微通道内出现完全不同于宏观流动的流体密度分布特性. 本文以纳米通道内液态Poiseuille流为对象, 采用非平衡分子动力学模拟方法研究了流体原子间相互作用强度ε_LL, 流体原子间平衡距离σ_LL以及壁面原子与流体原子间平衡距离σ_LS对通道内流体密度分布的影响规律. 数值模拟中, 统计系综取微正则系综, 势能函数选用LJ/126模型, 壁面设为Rigid-atom壁面, 温度校正使用速度定标法, 牛顿运动方程的求解则采用Verlet算法. 模拟结果表明, 随ε_LL的减弱, 近壁面区密度分布的振荡幅度则逐渐增大; 而σ_LL 则同时影响流体原子的存在形态和密度分布, 较大的σ_LL 会造成流体原子在整个通道内呈现面心立方结构的类似固体排列, 较小的σ_LL会使得流体原子呈现不断变化的 "团簇" 结构; 随σ_LS的变大, 近壁面区流体密度振荡幅度增大, 且流体密度分布起点离壁面越远. 另外, 本文还从近壁面区流体原子的 "俘获-逃逸" 行为角度, 初步解释了原子间相互作用强度对密度分布的影响规律. 关键词： 纳米通道 微流动 密度分布 分子动力学     

碳纳米管封装表面异构Si20融化的结构演变

采用分子动力学方法模拟一种硅的特殊结构（表面异构的硅十二面体结构）填充到扶手型单壁纳米管组成的复合结构的加热过程，通过可视化，键角分布，二面角分布等分析方法来研究这种结构在碳纳米管中的稳定性和结构演变情况。研究发现这种结构在碳纳米管中是非常稳定的，并且随着温度的升高，硅纳米团簇的四面体结构开始减少，近邻原子数目有所增加，但不超过8个。该复合结构是由二十个四面体组成的正十二面体，通过模拟分析可知这种结构具有相当高的稳定性，一部分原因是正四面体的单臂纳米管比较稳定，对十二面体结构的硅起了一定的保护作用；另一部分原因是Si20的正十二面体本身具有较高稳定度，这一点我们通过可视化软件发现这种团簇是缩成一团而并不是从中间裂开观察得到。     

超高功率短脉冲作用下薄壁金属的热特性分析

针对短脉冲高功率热流作用下的薄壁金属导热问题,基于傅里叶导热模型,采用固液耦合计算方法对金属瞬态温度特性进行了数值仿真,并分析了液体工质流速及固体材料物性参数对金属温度瞬态响应和分布的影响作用。分析结果表明:温度响应特性与时间尺度有关,在单次脉冲作用下,在ms量级内热量才能开始通过水侧对流散热散出,25ms后金属内部温度渐趋平衡;在连续脉冲作用下,金属内部温度逐渐升高,一定时间后温度变化达到动态平衡,壁面温度在一定范围内波动;停止加热后,在2s内温度逐渐降低至初始状态。提高水的流速和固体壁面热扩散系数均可降低壁面温度,且缩短温度趋衡所需时间。     

Numerical simulation of radiative-convective heat transfer at streamlining of the semitransparent film of melt

Nonstationary radiative-convective heat transfer was simulated at turbulent streamlining of a semitransparent film of melt on a flat plate by the gas mixture and solid particles. The moving film is subjected to intensive radiation heating by an external source radiating within a limited spectral range. The temperature and velocity fields are calculated in the boundary layer and in the film. Calculation results allow determination of the effect of source temperature and film initial heating on dynamics of temperature and velocity fields of the medium in the boundary layer-film system.     

纳米结构泡沫金冲击响应的分子动力学模拟

采用分子动力学计算程序对纳米结构泡沫金(Au)的冲击响应进行了模拟,得到了不同疏松度条件下泡沫Au的冲击压缩特性。通过获取不同势函数条件下实密Au的冲击Hugoniot关系以及泡沫结构稳定性测试选取适合描述Au泡沫冲击过程中原子的相互作用势。采用密堆积球壳的方式建立泡沫Au的初始构型。通过改变空心球壳的尺寸得到不同疏松度的稳定的泡沫Au结构。对泡沫Au的冲击过程进行分子动力学模拟,获得了不同疏松度泡沫Au在不同冲击压缩强度下的热力学状态参数。将模拟结果与已有的状态方程数据库以及疏松物质冲击压缩模型进行比较,结果表明,计算和理论模型给出的结果仍然存在明显的差异性,亟需通过进一步实验研究来验证模拟计算和理论模型结果的可靠性。