微尺度液—汽相变传热的分子动力学模拟

发布时间：2017-08-14 00:12

  本文关键词：微尺度液—汽相变传热的分子动力学模拟

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【摘要】：随着电子器件向高频、高速、密集化和小型化的方向发展,其散热问题得到了广泛关注。由于微尺度液膜的相变过程伴随着大量热量的吸收或释放,因此其在解决电子器件的散热问题上具有巨大的应用前景。微热管是以微尺度通道内液体相变为工作原理的传热器件,具有很高的传热效率,因此对微热管内工质的相变传热特性研究具有重要意义。由于对微热管内液体相变传热起主要作用的液膜厚度在纳米级,而分子动力学方法(MD)能够得到原子级别的结构特征,尤其适合纳米尺度的研究,因此本文采用分子动力学方法展开研究,使用的计算软件是LAMMPS。首先,本文采用三种常用水模型(SPC、SPC/E、TIP4P)对微尺度水液膜的密度及热导率值进行计算,并与实验数据和文献模拟值对比,选取出了最符合实际情况的水模型—TIP4P。并采用该模型对水的基本性质及相变现象进行了模拟,得出的结论与文献模拟结论一致,进一步验证了模拟方法和选取模型的准确性。其次,研究了微尺度下系统温度和液膜厚度对液体相变蒸发率的影响。模拟了液膜厚度为2 nm时,温度(375 K-425 K)对相变蒸发率的影响；并模拟了温度400 K时,液膜厚度(2 nm、3 nm、4nm)对相变蒸发率的影响。结果表明：1)蒸发率随时间呈指数递减；2)相同厚度下,蒸发率随着温度的升高而增大；3)同温度下,蒸发率随着液膜厚度的增加而增加。最后,对微尺度通道内氩液膜的相变传热特性进行了研究。模拟了等宽通道情况下,通道高度(23nm、32 nm、42 nm、52 n m)和液膜厚度(3nm、4 nm、5 nm)对相变传热性能的影响。结果表明：液膜在微尺度通道内具有更好的传热性能；热流密度随通道高度和液膜厚度的增加而增加；初始时刻的蒸发率与通道高度和液膜厚度成反比。以上研究结果可为微热管及其它以内部液体相变传热为工作原理的散热器件设计提供参考,并为其优化提供依据。
【关键词】：相变传热 分子动力学模拟 微尺度 微热管
【学位授予单位】：大连理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TK124
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-9
• 1 绪论9-16
• 1.1 课题来源9-10
• 1.2 微热管10-13
• 1.2.1 微热管的结构10-12
• 1.2.2 微热管的工作原理12
• 1.2.3 微热管的应用12-13
• 1.3 相变13-14
• 1.3.1 相变传热13-14
• 1.3.2 相变的分子动力学研究14
• 1.4 本文研究的主要内容14-16
• 2 分子动力学方法16-29
• 2.1 分子动力学原理16-17
• 2.2 系综17-19
• 2.3 力场及势函数19-21
• 2.3.1 Lennard-Jones势19-20
• 2.3.2 EAM势20
• 2.3.3 Tersoff势20-21
• 2.4 热导率的计算方法21-26
• 2.4.1 Muller-Plathe法22-23
• 2.4.2 Jund法23-24
• 2.4.3 两种方法的比较24-26
• 2.5 分子动力学软件26-29
• 3 水模型的选择29-40
• 3.1 三种常用水模型29-30
• 3.2 热导率的模拟30-33
• 3.2.1 模拟方法30-31
• 3.2.2 三种模型热导率的比较31-32
• 3.2.3 热导率随温度关系32-33
• 3.3 密度的模拟33-35
• 3.4 水薄膜的液-汽相变35-40
• 3.4.1 模拟方法35-36
• 3.4.2 模拟结果与讨论36-40
• 4 水薄膜液-汽相变蒸发率的研究40-53
• 4.1 模型建立40-41
• 4.2 蒸发率的计算41-43
• 4.3 蒸发率的影响因素43-47
• 4.3.1 系统温度对蒸发率的影响43-44
• 4.3.2 液膜厚度对蒸发率的影响44-46
• 4.3.3 结果与讨论46-47
• 4.4 硅衬底的作用47-53
• 4.4.1 衬底硅的尺寸效应47-48
• 4.4.2 界面热阻48-51
• 4.4.3 VDOS分析51-53
• 5 微尺度通道传热模型53-63
• 5.1 晶面结构的选取53-54
• 5.2 模型建立54-56
• 5.3 等宽通道传热模型56-58
• 5.3.1 通道高度对传热性能的影响57
• 5.3.2 液膜厚度对传热性能的影响57-58
• 5.4 不等宽通道传热模型58-63
• 5.4.1 相同充液量59-60
• 5.4.2 相同液膜厚度60-61
• 5.4.3 结果讨论61-63
• 结论63-64
• 参考文献64-67
• 攻读硕士学位期间发表学术论文情况67-68
• 致谢68-69

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