纳米流体传递现象的分子动力学模拟

论文摘要

本文采用分子动力学的方法对纳米流体的传递现象进行了研究。纳米流体是由在传统的传热工质中融入特征尺寸在1-50nm的纳米颗粒形成的一种悬浮液。与传统的悬浮液相比，在纳米颗粒浓度很低的情况下纳米流体也具有很高的导热系数，这一特点引起了人们极大的兴趣。尽管在过去的十年间，对纳米流体导热机理的研究得到了很大的发展，但是人们并没有得到一致的结论。本文应用分子动力学的方法对纳米流体导热系数大幅增加的原因进行了研究。首先进行研究的是液态氩在86K温度下的导热系数，以此来验证模型和算法的正确性。接下来对应用不同的势能模型来描述铜原子间的相互作用进行了讨论。在对纳米流体的模拟中，首先是对模拟区域内只存在有一个纳米颗粒的情况做了分子动力学模拟，同时应用了周期性边界条件，这样的模型描述的是纳米颗粒均匀分布在液体中的情况，这将纳米颗粒的聚集效应完全排除在外。在这部分研究中，对纳米颗粒的体积分数以及纳米颗粒的直径对纳米流体导热系数的影响进行了讨论，分析了纳米颗粒附近存在的具有规则结构的液体薄层对导热系数的影响。接下来，本文对模拟体系中存在有多个纳米颗粒的情况进行了分子动力学模拟，这使得对纳米颗粒间发生碰撞和聚集的模拟成为了可能，以此来研究纳米颗粒间的碰撞和聚集对纳米流体导热系数及剪切粘度的影响。最后，本文还对具有一定应用背景的纳米流体的非平衡传热现象进行了研究，对描述非平衡传热现象的两温度模型中的耦合系数进行了计算并对影响耦合系数的因素做出了讨论。本文获得了如下研究结果：在分子动力学模拟的过程中，应用Green-Kubo方法计算液态氩和纳米流体的导热系数时需要多次独立重复计算来平均得到最后的结果。当这些独立重复计算的次数足够多时，它们的标准差对最后平均的结果几乎没有影响。研究发现，用L-J势能模型来描述铜原子间的相互作用时，热流自相关函数会呈现出周期性振荡，这种振荡是由瞬时的微观热流的振荡引起的。模拟的结果还表明在本文的空间和时间的尺度上应用EAM势能模型来描述铜原子间相互作用的时候，并不像文献提及的那样耗时。在应用EAM势能模型对具有相同纳米颗粒直径不同纳米颗粒体积分数的纳米流体的导热系数研究时发现，纳米流体的导热系数几乎是纳米颗粒体积分数的线性函数，并且模拟结果与描述均匀分布溶液的传统的有效介质理论的预测结果相比略微偏大。模拟中发现，纳米颗粒表面存在有一层0.6nm的液体薄膜。我们认为，这个薄膜的存在是造成MD模拟的结果与传统的有效介质理论预测的结果存在微小偏差的原因。由Green-Kubo方法计算出的纳米流体的导热系数和剪切粘度的结果表明，纳米颗粒的聚集会大幅提高纳米流体的导热系数，但是剪切粘度的增加并不明显。结果还表明，不同纳米颗粒的聚集构型下纳米流体导热系数及剪切粘度的增加幅度是不同的。模拟体系中存在有多个纳米颗粒时，在3.2ns的模拟时间内并没有观测到纳米颗粒的聚集情况，纳米流体的导热系数和剪切粘度与模拟体系中只含有一个纳米颗粒情况下的值相同。在对纳米流体非平衡传热现象的研究中发现，耦合系数随着纳米颗粒体积分数的增加呈线性增大的趋势，随着纳米颗粒直径的增大呈线性减小的趋势，在90K-110K的温度范围内，温度对耦合系数几乎没有影响。在纳米颗粒的聚集对耦合系数影响的研究中发现，发生纳米颗粒聚集时，耦合系数会减小。本文工作得到了国家自然科学基金（No.51076105，No.50876067）、国家自然科学基金海外及港澳学者合作研究基金（No.50828601）、上海教委科研创新重点项目（No.10ZZ91）和上海市重点学科建设项目（No. J50501）资助。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• §1.1 课题背景
• §1.2 课题相关研究现状
• §1.3 分子动力学的应用
• §1.4 本文的研究内容
• 第二章 分子动力学方法
• §2.1 与统计力学有关的重要概念
• §2.1.1 相空间
• §2.1.2 系综
• §2.1.3 时间平均
• §2.2 分子动力学模拟基础
• §2.2.1 势能模型
• §2.2.2 运动方程
• §2.2.3 周期性边界条件
• §2.3 分子动力学模拟过程
• §2.3.1 初始设定
• §2.3.2 平衡过程
• §2.3.3 生成和分析相空间中状态点的轨迹
• 第三章 模拟体系中含有单个纳米颗粒的纳米流体导热系数的分子动力学模拟
• §3.1 模型建立及初始设定
• §3.2 液态氩导热系数的计算
• §3.3 EAM 势能模型与 L-J 势能模型比较
• §3.4 纳米颗粒体积分数对纳米流体导热系数的影响
• §3.5 规则液体薄层对纳米流体导热系数的影响
• §3.6 纳米颗粒直径对纳米流体导热系数的影响
• §3.7 结论
• 第四章 模拟体系中含有多个纳米颗粒的纳米流体传递现象的分子动力学模拟
• §4.1 剪切粘度的计算
• §4.2 NEMD 方法计算传递系数与 EMD 方法比较
• §4.3 模拟体系中存在多个纳米颗粒对模拟结果的影响
• §4.4 纳米颗粒聚集对纳米流体导热性质的影响
• §4.5 结论
• 第五章 纳米流体非平衡传热现象的分子动力学模拟
• §5.1 非平衡传热现象中耦合系数的定义
• §5.2 应用物理定义式方法的耦合系数计算
• §5.3 应用曲线拟合方法的耦合系数计算
• §5.4 结论
• 第六章 结论
• 主要符号表
• 参考文献
• 在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果
• 致谢