纳米孔隙气相导热系数的分子动力学模拟

论文摘要

纳米材料由于其独特的性能,被广泛应用在各个方面。其中纳米孔隙材料,与传统的多孔材料相比,其传热具有微/纳米尺度传热的特点,具有很好的隔热性能。在热科学领域,分子动力学方法已发展成为原子,分子水平研究材料热物理性质的有效方法。国际上采用分子动力学方法模拟物质导热过程和导热性质的研究正迅速开展起来。平衡分子动力学和非平衡分子动力学都已大量用于模拟物质热传导特性,以及计算材料的导热系数,针对的材料主要是固体薄膜和液体,对于使用分子动力学计算气体导热的还很少。分子动力学通过求解以特定势能函数相互作用的粒子的运动方程,可以模拟系统中所有粒子随时间演进的细致行为,并统计计算得到系统的物理参量。本文通过对纳米孔气相导热系数的数值模拟,来分析其与其影响因素的关系,进而对纳米孔隔热材料的性能优化设计和生产进行理论指导。本文包括分子动力学模拟的基本概念和基本理论,根据纳米孔隔热材料微观结构的特点,建立了纳米孔隙模型,采用平衡分子动力学方法,使用Lennard-Jones势来描述气体间的相互作用,考虑气体分子之间以及气体分子与孔隙壁面间的相互作用力,编制计算程序,对纳米材料孔隙中气体的导热系数进行了模拟计算。根据纳米隔热材料的特点和应用范围,本文研究的温度范围为250K至800K,纳米孔隙尺寸为10nm至70nm,得到纳米孔隙气相导热系数与其影响因素的关系。结果表明,纳米孔隙气相导热系数明显低于自由空间气体导热系数,导热系数随着温度的降低而减小;纳米孔隙越小,气相导热系数越小,并呈现出明显线性规律;纳米孔隙气相导热系数随着压力的升高而增大。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 纳米技术与纳米材料简介
• 1.2 微尺度传热学
• 1.2.1 微尺度传热研究背景及基本概念
• 1.2.2 微尺度传热研究方法和理论
• 1.3 导热系数的分子动力学研究
• 1.3.1 国外研究状况
• 1.3.2 国内研究状况
• 1.4 本文研究内容
• 第2章 分子动力学基础与模拟方法
• 2.1 分子动力学理论基础
• 2.1.1 基本原理
• 2.1.2 势能函数
• 2.1.3 数值解法
• 2.2 分子动力学模拟的系综
• 2.2.1 控温方法
• 2.2.2 控压方法
• 2.3 定解条件与无量纲化
• 2.3.1 边界条件
• 2.3.2 初始条件
• 2.3.3 物理量的无量纲化处理
• 2.4 本章小结
• 第3章 导热系数的分子动力学模拟算法
• 3.1 统计物理
• 3.2 导热系数的分子动力学模拟
• 3.2.1 平衡分子动力学方法
• 3.2.2 非平衡分子动力学方法
• 3.3 大空间氮气导热系数模拟
• 3.3.1 分子初始位置和速度
• 3.3.2 选取势函数及力的计算
• 3.3.3 模拟过程与讨论
• 3.3.4 稳态的判定
• 3.3.5 模拟结果及分析
• 3.4 本章小结
• 第4章 纳米孔隙气体导热模拟分析
• 4.1 理论计算纳米孔隙气相导热系数
• 4.2 分子动力学计算纳米孔隙气相导热
• 4.2.1 模型与计算参数
• 4.2.2 模拟结果与分析
• 4.3 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢