流體輸運(yùn)特性和物態(tài)轉(zhuǎn)變的分子動力學(xué)研究.pdf

1、本論文旨在運(yùn)用近年發(fā)展起來的分子動力學(xué)模擬方法系統(tǒng)地研究工程上具有重要意義的流體的輸運(yùn)系數(shù)，包括簡單流體、復(fù)雜流體和混合物，特別是納米流體的輸運(yùn)系數(shù)，探討模擬方法，提高模擬精度。同時，根據(jù)我們所承擔(dān)的中俄合作研究項目，對玻璃的物態(tài)轉(zhuǎn)變、輸運(yùn)特性及微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分子動力學(xué)模擬，取得了一些有意義的結(jié)果。 眾所周知，描述物質(zhì)宏觀輸運(yùn)特性的輸運(yùn)系數(shù)是物質(zhì)重要的物性參數(shù)，也是工程應(yīng)用上最基本、最重要的特性，但由于其在測量上的困難，很難用實

2、驗的方法精確測量和確定。無論是簡單流體還是復(fù)雜流體，特別是新型工質(zhì)，這方面的數(shù)據(jù)均很匱乏。因此，流體輸運(yùn)系數(shù)的確定成為研究者們十分關(guān)注的問題。近年來，已被廣泛應(yīng)用的分子動力學(xué)模擬方法為獲得不同狀態(tài)下流體的輸運(yùn)系數(shù)提供了一種可行的、有效的手段和一條新的途徑。 本文首先以簡單流體作為研究對象，利用分形理論和分子動力學(xué)模擬方法，計算了實際流體Ar在不同溫度下的分維數(shù)，提出了實際流體分子的隨機(jī)運(yùn)動可用分?jǐn)?shù)Brown函數(shù)來描寫的假說，并構(gòu)

3、造了相應(yīng)的位移、速度、速率的分?jǐn)?shù)布朗函數(shù)，對所提出的假設(shè)進(jìn)行了論證。 其次，以簡單流體、復(fù)雜流體和混合物作為研究對象，主要利用平衡時間相關(guān)函數(shù)理論對其擴(kuò)散、粘性及導(dǎo)熱系數(shù)進(jìn)行了MD模擬。在論文中，主要從各輸運(yùn)系數(shù)對應(yīng)流的自相關(guān)系數(shù)隨時間變化的曲線形式上分析了不同熱力學(xué)狀態(tài)下的輸運(yùn)特性，并研究了它們隨溫度和密度的變化，對用MD方法研究輸運(yùn)特性的可行性進(jìn)行了論證。利用MD方法研究水的輸運(yùn)特性很少見諸報導(dǎo)，這可能是因為其分子結(jié)構(gòu)和運(yùn)動

4、的復(fù)雜性所致。在論文中，對于復(fù)雜流體選用極性水分子作為研究對象。將簡單流體的Green-Kubo公式進(jìn)行了發(fā)展，導(dǎo)出了水的相應(yīng)計算式，并對其擴(kuò)散系數(shù)和導(dǎo)熱系數(shù)進(jìn)行了計算。從微觀尺度上分析了質(zhì)量、動量和能量的傳遞過程和流體的輸運(yùn)特性。 近年來，納米技術(shù)受到廣泛關(guān)注。納米流體作為一種新型工質(zhì)，其物理特性不同于純流體，但納米流體的物性研究卻十分缺乏。本論文在簡單流體和復(fù)雜流體輸運(yùn)特性研究的基礎(chǔ)上，計算了納米流體的相關(guān)熱物性參數(shù)。論文中

5、先選取LJ勢函數(shù)對液體氬和金屬鈉粒子所組成的納米流體的輸運(yùn)特性進(jìn)行了探索性研究，主要從不同時間平均數(shù)、不同截斷半徑和不同納米粒子含量百分?jǐn)?shù)的時間相關(guān)函數(shù)進(jìn)行了研究，然后選取復(fù)雜勢函數(shù)對水和金屬鉑粒子組成的納米流體的導(dǎo)熱系數(shù)進(jìn)行了計算，這些探索性的研究為今后不同納米流體輸運(yùn)系數(shù)的研究提供了新的方法和思考。 在本論文的最后，利用分子動力學(xué)模擬方法對石英玻璃在急冷過程中的物態(tài)轉(zhuǎn)變和輸運(yùn)特性進(jìn)行了模擬，這是我們承擔(dān)的一個中俄合作研究的項

6、目。文中借用雙體分布函數(shù)、結(jié)構(gòu)因子和配位數(shù)等結(jié)構(gòu)相關(guān)函數(shù)，觀察到了玻璃結(jié)構(gòu)體微觀尺度上的原子鍵長、反映中程有序的預(yù)峰的峰值及峰位和玻璃態(tài)的轉(zhuǎn)變溫度等重要的信息。從模擬結(jié)果可看出，石英玻璃的玻璃態(tài)轉(zhuǎn)變溫度大約在1500K~2000 K之間，這與實驗所觀察到的溫度相符。另外，分子動力學(xué)模擬方法的模擬結(jié)果體現(xiàn)出了玻璃融體不同于一般液體的“短程有序、中程有序和長程無序”的典型結(jié)構(gòu)特征。同時，我們進(jìn)行了X射線衍射實驗，與模擬結(jié)果進(jìn)行了比較，二者較