论文题目: 流体输运特性和物态转变的分子动力学研究
论文类型: 博士论文
论文专业: 工程热物理
作者: 刘娟芳
导师: 曾丹苓
关键词: 分子动力学模拟,时间相关函数,输运系数,玻璃态转变温度
文献来源: 重庆大学
发表年度: 2005
论文摘要: 本论文旨在运用近年发展起来的分子动力学模拟方法系统地研究工程上具有重要意义的流体的输运系数,包括简单流体、复杂流体和混合物,特别是纳米流体的输运系数,探讨模拟方法,提高模拟精度。同时,根据我们所承担的中俄合作研究项目,对玻璃的物态转变、输运特性及微观结构进行了分子动力学模拟,取得了一些有意义的结果。众所周知,描述物质宏观输运特性的输运系数是物质重要的物性参数,也是工程应用上最基本、最重要的特性,但由于其在测量上的困难,很难用实验的方法精确测量和确定。无论是简单流体还是复杂流体,特别是新型工质,这方面的数据均很匮乏。因此,流体输运系数的确定成为研究者们十分关注的问题。近年来,已被广泛应用的分子动力学模拟方法为获得不同状态下流体的输运系数提供了一种可行的、有效的手段和一条新的途径。本文首先以简单流体作为研究对象,利用分形理论和分子动力学模拟方法,计算了实际流体Ar在不同温度下的分维数,提出了实际流体分子的随机运动可用分数Brown函数来描写的假说,并构造了相应的位移、速度、速率的分数布朗函数,对所提出的假设进行了论证。其次,以简单流体、复杂流体和混合物作为研究对象,主要利用平衡时间相关函数理论对其扩散、粘性及导热系数进行了MD模拟。在论文中,主要从各输运系数对应流的自相关系数随时间变化的曲线形式上分析了不同热力学状态下的输运特性,并研究了它们随温度和密度的变化,对用MD方法研究输运特性的可行性进行了论证。利用MD方法研究水的输运特性很少见诸报导,这可能是因为其分子结构和运动的复杂性所致。在论文中,对于复杂流体选用极性水分子作为研究对象。将简单流体的Green-Kubo公式进行了发展,导出了水的相应计算式,并对其扩散系数和导热系数进行了计算。从微观尺度上分析了质量、动量和能量的传递过程和流体的输运特性。近年来,纳米技术受到广泛关注。纳米流体作为一种新型工质,其物理特性不同于纯流体,但纳米流体的物性研究却十分缺乏。本论文在简单流体和复杂流体输运特性研究的基础上,计算了纳米流体的相关热物性参数。论文中先选取LJ势函数对液体氩和金属钠粒子所组成的纳米流体的输运特性进行了探索性研究,主要从不同时间平均数、不同截断半径和不同纳米粒子含量百分数的时间相关函数进行了研究,然后选取复杂势函数对水和金属铂粒子组成的纳米流体的导热系数进行了计算,这些探索性的研究为今后不同纳米流体输运系数的研究提供了新
论文目录:
中文摘要
英文摘要
主要符号表
1 绪论
1.1 分子模拟方法
1.2 输运特性
1.2.1 时间相关函数
1.2.2 非平衡分子动力学模拟法
1.3 纳米材料的研究现状和应用前景
1.4 物态转变
1.4.1 实验研究
1.4.2 研究现状
1.5 本论文的研究目的和内容
1.5.1 研究目的
1.5.2 研究内容
1.5.3 研究方法
2 分子微观运动的描述
2.1 引言
2.2 理论背景
2.2.1 布朗运动
2.2.2 分数布朗运动
2.2.3 假说
2.3 分子动力学模拟方法
2.3.1 基本原理和主要步骤
2.3.2 关键问题
2.3.3 本章模拟细节
2.4 模拟结果
2.4.1 分数维数
2.4.2 关于概率密度函数的证明
2.4.3 分子位移的分布
2.4.4 分子速度的分布
2.4.5 分子速率的分布
2.5 小结
3 LJ 流体输运特性的分子动力学研究
3.1 线性响应理论
3.2 模拟方法
3.3 模拟结果
3.3.1 扩散系数
3.3.2 剪切粘性系数
3.3.3 导热系数
3.3.4 同一状态下输运系数对应的时间相关函数的比较
3.3.5 同一密度不同温度下各输运系数的变化
3.3.6 同一温度不同密度下各输运系数的变化
3.4 小结
4 复杂流体输运特性的分子动力学研究
4.1 水分子间作用力
4.1.1 位能模型
4.1.2 势能函数
4.2 模拟方法
4.2.1 运动方程与算法
4.2.2 反应场法
4.2.3 上移势能函数
4.2.4 模拟细节
4.3 水的分子动力学模拟结果
4.3.1 模拟方法的检验
4.3.2 水分子微观结构的模拟结果
4.3.3 扩散性质
4.3.4 导热系数
4.4 小结
5 混合物输运特性的研究
5.1 混合物的输运系数
5.1.1 互扩散系数
5.1.2 粘性系数
5.1.3 导热系数
5.1.4 热扩散系数
5.2 惰性流体混合物的输运特性
5.3 纳米流体的导热系数
5.3.1 氩和钠所组成的纳米流体
5.3.2 水和铂所组成的纳米流体
5.4 小结
6 石英玻璃急冷过程物态转变和输运特性的研究
6.1 引言
6.2 势能模型
6.3 结构分析方法
6.3.1 双体分布函数
6.3.2 结构因子
6.3.3 配位数
6.4 模拟方法
6.4.1 基本模拟计算
6.4.2 Ewald 求和方法
6.5 模拟结果
6.5.1 双体分布函数
6.5.2 结构因子
6.5.3 配位数
6.5.4 急冷过程中能量的变化
6.5.5 急冷过程中扩散系数的变化
6.6 实验研究
6.6.1 实验目的
6.6.2 实验原理
6.6.3 实验主要仪器及各仪器主要特点及技术指标
6.6.4 实验步骤
6.7 小结
7 结论
致谢
参考文献
附录
独创性声明
学位论文版权使用授权书
发布时间: 2006-12-05
参考文献
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