纳米颗粒聚集及尺寸对流动特性影响的MD研究

发布时间：2020-12-30 11:05

　　本文采用分子动力学理论对纳米流体的流动特性进行了研究。纳米流体相比较传统的传热流体,可以大幅提高基础液体的传热能力,这一特点可以使纳米流体应用于各种行业。但是,纳米流体传热特性的研究有了非常大的发展,而其流动特性却很少有人研究,而其流动特性与纳米流体的制备、使用以及整体能量的损耗都息息相关。本文应用分子动力学理论,基于Green-Kubo原理计算了包含不同尺寸和聚集形态纳米颗粒的纳米流体的粘度,研究了纳米颗粒尺寸对以及聚集对粘度的影响。在这部分模拟中,首先计算了纯液Ar的粘度,并对所建模型以及计算原理的可靠性进行验证分析;其次,改变纳米颗粒的尺寸,计算了三种纳米颗粒尺寸下纳米流体的粘度。结果显示,在纳米颗粒体积分数相同的情况下,纳米流体的粘度随纳米颗粒尺寸的减小而增大,这主要是因为纳米颗粒尺寸减小会增加纳米颗粒的总表面积,从而增大了纳米颗粒的总有效体积;最后计算了包含不同纳米颗粒聚集形态的纳米流体的粘度。结果显示,纳米颗粒的聚集会增大纳米流体的粘度,且其对粘度的影响要比纳米颗粒尺寸的影响更显著。纳米流体的应用大部分都涉及在管道内流动的情况,本文又模拟了纳米流体在无限长宽的平行通道内的流... 

【文章来源】：河北工程大学河北省

【文章页数】：78 页

【学位级别】：硕士

【部分图文】：

相空间轨迹示意图

河北工程大学硕士学位论文16发现可以使用软球模型作为分子动力学势能模型，来描述原子之间的相互作用。软球模型是将模拟体系中的原子都看成一个个的质点，每一个质点都有它的作用半径，这个半径与原子本身的直径有关系，当原子距离较远时，原子之间没有相互作用，当原子位置相距比较近时，根据原子之间的距离可以计算它们之间的受力情况。在软球模型中，原子发生的碰撞并不是像硬球模型中那样直接接触，而是随着距离的靠近，原子之间的斥力会越来越大，从而发生“碰撞”。软球模型不仅提高了计算的精确度，也扩展了计算领域。一种典型的势能模型如下式（2-3f）所示，即Lennard-Jones（L-J）势能函数[63]：=4[()12()6](2-3f)式中，代表原子i和原子j之间的势能函数，代表原子i和j之间的距离，代表势能为零时原子i与原子j之间的距离，代表势阱。图2-2L-J势函数能量图[2]Fig.2-2ThepotentialenergydiagramofL-J当原子距离较远时，6次项起主导作用，主要受到原子之间的非键作用力，例如范德瓦耳斯力，相比较分子内部存在的化学键强度，范德瓦耳斯力是非常弱的。但是对于一些惰性气体而言，它们分子之间是不存在化学键的，因此不能忽略范德瓦耳斯力的存在。这也是为何我们研究中使用Lennard-Jones势能函数来描述Ar原子之间的相互作用。而当原子距离较近时，12次项起主要作用，且原子间势能随着原子距离的减小而迅速增大，从而逐渐阻止两原子相互靠近。根据

体系的数目相比。如果在模拟盒子中采用实际的边界，由于位于表面和内部的分子受力差别较大，可能会出现显著的表面效应，因此，可以采用周期性边界条件（Periodic Boundary Condition），来减少原子数目少对模拟结果的影响。而我们模拟的体系是金属体系或者是其他的在微观状态下具有边界的物质，它们的表面效应较为明显，我们就可以直接设置为固态边界而非周期性边界。 周期性边界条件，即将所模拟的盒子作为中心元胞，其周围是原子分布以及运动与其完全相同的镜像盒子。如果有原子从模拟盒子边界运动出去，则从另一相反方向会有一相同原子进入模拟盒子。这种方式使得模拟盒子的原子种类、密度保持不变，但是增大了模拟体系的体积以及原子数量。

【参考文献】：
期刊论文
[1]CO2制冷系统的气冷器用纳米流体强化换热的研究[J]. 刘业凤,许双,乔海平,王立根.  节能技术. 2016(05)

博士论文
[1]喷雾冷却传热特性、传热强化及温度不均匀性研究[D]. 韩丰云.中国科学技术大学 2011

硕士论文
[1]Cu-H2O纳米流体受热运动的分子动力学模拟[D]. 罗稀玉.长沙理工大学 2017
[2]纳米流体传递现象的分子动力学模拟[D]. 康宏博.上海理工大学 2011
[3]纳米流体对太阳能辐射选择吸收特性的研究[D]. 蔡洁聪.浙江大学 2008



本文编号：2947533