超急速爆发沸腾汽泡形核分子动力学研究

论文摘要

微尺度爆发沸腾是在瞬态高热流作用下引发的一种超常沸腾现象,它的主要特征在于液体快速加热至高度过热,从而导致急速爆发式的汽泡核化与增长,大量微小汽泡以气泡群的形态出现,体现出明显异于常规沸腾的气泡生长变化特征,常见于各类传统的冶金、化工及激光融敷、激光清洗、微电子机械等现代高新技术领域。由于传递过程中超常现象的出现,使经典理论与常规实验测试技术面临巨大挑战,从而使人们对其微观机理的认识还非常有限,对其中的超常现象尚不能给出合理解释与恰当描述,现有的实验与理论结果不能较好用于指导实践等。本文采用分子动力学模拟方法,研究了激光加热条件下液氮和水爆发沸腾汽泡形核过程以及硅半导体薄膜热量输运过程。在液氮爆发沸腾均相形核模拟中,传入高能分子团簇的热量、形核体系的初始平衡温度、高能分子团簇尺寸对于形核过程中传入热量向体系的势能转化有着非常重要的作用。形核体系的势能变化在汽泡形核的初始阶段迅速增长,随后在一个固定势能值附近波动。在汽泡形核后期,系统势能变化缓慢增长。在汽泡形核过程中,较低的初始平衡温度、较小的高能分子团簇尺寸和较大的传入模拟体系的热量,均会导致沸腾形核体系中势能发生较大的变化。在水分子系统爆发沸腾汽泡形核过程中,体系势能随传入热量的增加而增加。系统势能随高能分子团簇底面半径的增加而增加,高能分子团簇底面半径加大与起始平衡温度升高均有利于水分子体系发生爆发沸腾形核。每两个水分子之间的库仑力导致了水与液氮系统能量转化率的不同。氢键带来的强相互作用,使水比液氮更难发生爆发沸腾形核。这也使爆发沸腾形核过程中液氮的能量转化率比水高很多。在有固体壁面参与的纳米尺度液态水爆发沸腾汽泡形核中,探索发展了强非平衡态条件下爆发沸腾形核三维分子动力学模型,探讨分析了水与液氮爆发沸腾过程中高能分子团簇的均相形核机制与能量转换过程特性及各因素的影响规律,得出水与液氮爆发沸腾形核过程的本质区别与联系；基于刚性水分子模型与固壁简谐作用势分子层模型,尝试对采用固壁加热的爆发沸腾形核过程进行了三维分子动力学模拟,采用虚拟粒子方法对形核体积进行了测定,并对水分子系统的半径分布函数及温度与压力演变过程进行了统计计算,得出不同条件下气泡生长速率、半径分布函数、形核率及温度与压力等的变化规律,从新的角度揭示了强非平衡态条件下超急速爆发沸腾核化机理与动态演变特征。在激光加热下纳米硅导体薄膜导热特性分子动力学模拟中,半无限大硅薄膜热流方向的厚度为32.3nm,40.4nm,48.4nm,60.5nm,75.6nm。沿薄膜热流方向上不同深度的内热源分布模拟了激光在半导体内部的沉积作用。计算了温度分布、压力分布和内部质心位移分布。计算结果表明,平均压力呈现出周期性振荡,热流方向上的应力分布与净热流分布呈现出相同的周期性分布趋势。这表明应力与净热流分布存在密切关系。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 目录
• 图目录
• 表目录
• 主要符号表
• 第1章 引言
• 1.1 课题研究背景与意义
• 1.1.1 沸腾传热的研究背景与意义
• 1.1.2 爆发沸腾的概念及研究意义
• 1.1.3 飞秒激光加热半导体薄膜导热特性的研究背景与意义
• 1.2 爆发沸腾的研究现状
• 1.2.1 爆发沸腾实验研究
• 1.2.2 爆发沸腾理论研究
• 1.3 飞秒激光加热半导体薄膜导热特性的研究现状
• 1.3.1 半导体薄膜瞬态高热流导热的研究成果
• 1.3.2 目前研究中需要解决的问题
• 1.4 本文的研究目的和主要内容
• 1.4.1 研究目的
• 1.4.2 主要内容
• 第2章 分子动力学模拟技术
• 2.1 分子动力学模拟的基本理论
• 2.1.1 分子动力学模拟的基本假设
• 2.1.2 分子力场
• 2.1.3 分子动力学计算的基本原理
• 2.1.4 牛顿运动方程式的数值解法
• 2.1.5 边界条件
• 2.1.6 积分步长的选取
• 2.1.7 无量纲化
• 2.1.8 分子动力学模拟流程
• 2.1.9 系统温度和压力统计
• 2.2 分子动力学计算代码
• 2.2.1 LAMMPS简介
• 2.2.2 LAMMPS开发
• 2.3 分子动力学计算的硬件环境和编译
• 2.3.1 分子动力学计算的硬件环境
• 2.3.2 LAMMPS的编译
• 2.4 本章小结
• 第3章 液氮爆发沸腾均质形核模拟及能量转换分析
• 3.1 模拟模型和计算方法
• 3.1.1 分子动力学模拟方法的确定
• 3.1.2 分子力场的确定
• 3.1.3 牛顿运动方程积分方法
• 3.1.4 无量纲化
• 3.1.5 边界条件
• 3.1.6 平衡模拟阶段
• 3.1.7 非平衡模拟阶段
• 3.2 模拟结果与讨论
• 3.2.1 分子位形显示
• 3.2.2 形核过程中势能变化及能量转化
• 3.3 本章小结
• 第4章 水爆发沸腾均质形核模拟及能量转换分析
• 4.1 模拟模型和计算方法
• 4.1.1 分子力场的确定
• 4.1.2 牛顿运动方程积分方法
• 4.1.3 限制动力学计算
• 4.1.4 长程力处理
• 4.1.5 边界条件
• 4.1.6 平衡模拟阶段
• 4.1.7 非平衡模拟阶段
• 4.2 模拟结果与讨论
• 4.2.1 分子位形显示
• 4.2.2 水分子系统形核过程中势能变化及能量转化
• 4.2.3 与氮分子系统形核过程的对比
• 4.3 本章小结
• 第5章 固体壁面水爆发沸腾形核分子动力学模拟
• 5.1 模拟模型和计算方法
• 5.1.1 水分子模型的构建
• 5.1.2 固体壁面模型的构建
• 5.1.3 固体壁面与水分子系统之间的相互作用
• 5.1.4 牛顿运动方程积分方法
• 5.1.5 边界条件及不同的模拟阶段
• 5.2 模拟结果与讨论
• 5.2.1 形核过程中的温度和压力变化
• 5.2.2 汽泡的生长速率
• 5.2.3 形核率
• 5.2.4 半径分布函数
• 5.3 本章小结
• 第6章 硅半导体材料瞬态导热分子动力学模拟
• 6.1 模拟模型和计算方法
• 6.1.1 Si薄膜模型分子力场的确定
• 6.1.2 激光能量吸收
• 6.1.3 模拟的其他参数和步骤
• 6.2 模拟结果与讨论
• 6.2.1 温度统计结果
• 6.2.2 应变与应力统计结果
• 6.3 本章小结
• 第7章 结论与展望
• 7.1 结论
• 7.2 未来工作展望
• 参考文献
• 攻读博士学位期间发表论文
• 致谢