混合润湿性柱状纳米结构对铜板上纳米氩膜沸腾传热的影响

混合润湿性对固/液相互作用有显著影响,因此对提高相变过程中的传热速率有积极作用.采用分子动力学模拟方法研究了柱状纳米结构表面混合润湿性对池沸腾传热的影响.分析了混合润湿性和纳米结构柱高对液体起始沸腾时间和温度的影响及其机理.结果表明,疏水比例和柱高会影响爆沸的起始温度和时间.与纯亲水壁相比,增加疏水比改变了固液界面性质,可以降低沸腾温度,更容易突破势能壁垒,使液体起始沸腾时间提前,并且随着疏水比的增加,不同柱高下的沸腾温度降低;当疏水比相同时,增加柱高扩大了混合润湿性的影响,也能降低沸腾起始温度并使液体起始沸腾时间提前.这为设计微纳粗糙结构和混合润湿表面以强化沸腾传热提供了思路.     

亲水/疏水复合凹槽壁面上气泡成核的分子动力学模拟研究

本文采用分子动力学方法研究亲水/疏水性复合壁面凹槽壁面对气泡成核的影响,并对比其与单一亲水性或单一疏水性凹槽壁面在成核行为、成核率等方面的差异。结果表明:液体氩在不同润湿性凹槽壁面加热下均产生明显的气核,但成核现象存在差异;固–液传热效率随着亲水性的增强而提高,而壁面附近液体原子所受的势能束缚随疏水性增强而降低,亲水/疏水性复合壁面凹槽可利用其亲水侧高效传热与疏水侧低相变能垒的优势,提高被加热液体的成核率。     

微气泡形成过程及温度影响

运用平衡态分子动力学理论对含有液氩分子微正则系统的微气泡的形成过程进行模拟.采用五阶预估-校正有限差分法对每个分子的牛顿运动方程进行求解,该方法能够较好地满足能世守恒特性.通过统计各时刻系统的动能,势能以及总能量,得到了气泡生长过程中各相分子的分布形貌,并且分析了温度对气泡生长过程的影响及相界面不稳定的原因.模拟得到:气泡形成过程可分成四部分:团聚段、成核段、等温成长段以及等压成长段,以此粗略估计气泡的成核时间大约为0.2×10-11s.温度对于沸腾的团聚和成核时间没有影响.当过热度大于22 K时,随着过热度增大,两相区域数密度波动特别大.相界面不稳定是气泡的破碎引起的.     

纳米尺度下气泡核化生长的分子动力学研究

采用分子动力学方法模拟纳米尺度下液体在固体壁面上发生核化沸腾的过程,主要研究壁面浸润性对气泡初始核化过程和气泡生长速率的影响以及固-液界面效应在液体核化沸腾的能量传递过程中所起到的作用.研究结果发现：壁面浸润性越强,气泡在固壁处越容易核化.该结果与经典核化理论中“疏水壁面易于产生气泡”的现象产生了明显的区别.其根本原因是在纳米尺度下,固-液界面热阻效应不能被忽略.一方面,在相同的壁温下,通过增强固-液相互作用,可以显著降低界面热阻,使得热量传递效率提高,导致靠近壁面处的流体温度升高,气泡核化等待时间缩短,有利于液体沸腾核化.另一方面,气泡的生长速率随着壁面浸润性的增强而明显升高.当气泡体积生长到一定程度时,会在壁面处形成气膜,从而导致壁面传热性能恶化.因此,通过壁面的热流密度呈现出先增大后减小的规律.     

附壁氩液滴蒸发过程的分子动力学模拟

为了了解附壁液滴的蒸发特性,利用分子动力学方法对铜基底上氩液滴的蒸发过程进行了模拟。结果表明,随着蒸发过程的进行,液滴中的氩原子逐步扩散到周围真空环境中,并最终达到蒸发稳定状态。稳态蒸发时液滴近似为球冠状,在固-液界面存在一个密度较大的吸附层,在汽-液界面存在一个密度骤降的区域,60%的蒸发发生在三相接触线区域.温度越高,系统达到稳态所需时间越短,蒸发越快,固-液界面吸附层密度越小,接触角越小;同时,固-液之间的能量参数越大,接触角越小。     

壁面润湿性对沸腾核化的影响

建立了近壁面区池沸腾系统分子动力学模型,将壁面对流体的作用作为附加力引入,从成核位置、平均分子动能和界面接触热阻三个方面研究了壁面润湿性对液氩沸腾核化的影响规律和机理。模拟结果表明,壁面润湿性越强,壁面对流体分子的束缚作用越强,成核位置离壁面越远;壁面润湿性较强时紧靠壁面区域的平均分子动能明显高于远离壁面处的平均分子动能,润湿性弱时沿垂直壁面方向分子动能变化不明显;对于润湿性较强的壁面,界面接触热阻较大,不利于沸腾核化。     

气泡成核过程的格子Boltzmann方法模拟

利用精确差分格子Boltzmann模型探讨水在特定温度下的亚稳态及不稳定平衡态, 获得等温相变过程中形成气泡和液滴的条件, 模型预测结果与理论解符合良好. 在该等温模型的基础上耦合能量方程, 通过调节流体-壁面相互作用力获得不同的气泡与固壁间接触角, 从而建立了一种新的描述气液相变的格子Boltzmann理论模型. 利用该新模型模拟不同流体-壁面相互作用力下凹坑气泡成核过程, 再现了气泡成核过程中的三阶段特性; 探讨了接触角、曲率半径及气泡体积随气泡成核过程的变化关系, 获得了与文献结果定性符合的曲率-气泡体积关系曲线. 关键词： 格子Boltzmann方法 气泡成核过程 气液相变 接触角     

竖直矩形通道内液体流动

通过对沸腾气泡在液体中的受力分析,建立了沸腾气泡长大过程的动力学方程;进而获得了沸腾气泡的生长速率与脱离直径的计算方法.采用图象捕集与处理系统,对竖直矩形通道内液体流动沸腾气泡长大与脱离行为进行实验测定,结合模型求解,获得了气泡生长速率、气泡脱离直径、气泡与加热壁面的接触角等参数随操作条件的变化;由模型计算所得的气泡脱离直径与实测值较为符合.     

垂直矩形窄通道内饱和沸腾起始点实验研究

实验以去离子水为工质,研究矩形窄通道内饱和沸腾起始点的影响因素。通过改变矩形板的壁面加热功率密度,工质的质量流量和入口温度分析饱和沸腾起始点的变化规律.实验得出:饱和沸腾段随着加热功率密度的增加而增加,随着质量流量的增加而缩短,随着入口温度的增加而增加,但入口温度在高加热功率密度时对饱和沸腾起始点的影响相对较小,在低加热功率密度下影响较大。     

尺寸效应对微通道内固液界面温度边界的影响

采用非平衡分子动力学方法模拟不同浸润性微通道内液体的传热过程,分析了尺寸效应对固液界面热阻及温度阶跃的影响.研究结果表明,界面热阻随微通道尺寸的变化可分为两个阶段,即小尺寸微通道的单调递增阶段和大尺寸微通道的恒定值阶段.随着微通道尺寸的增加,近壁区液体原子受对侧固体原子的约束程度降低,微通道中央的液体原子自由移动,固液原子振动态密度近似不变,使得尺寸效应的影响忽略不计.上述两种阶段的微通道尺寸过渡阈值受固液作用强度与壁面温度的共同作用:减弱壁面浸润性,过渡阈值向大尺寸区域迁移;相较于低温壁面,高温壁面处的过渡阈值更大.增加微通道尺寸,固液界面温度阶跃呈单调递减趋势,致使壁面温度边界和宏观尺度下逐渐符合.探讨尺寸效应有助于深刻理解固液界面能量输运及传递机制.     

Molecular Dynamics Simulation of Bubble Nucleation in Explosive Boiling

Molecular dynamics （MD） simulation is carried out for the bubble nucleation of liquid nitrogen in explosive boiling. The heat is transferred into the simulation system by rescaling the velocity of the molecules. The results indicate that the initial equilibrium temperature of liquid and molecular cluster size affect the energy conversion in the process of bubble nucleation. The potential energy of the system violently varies at the beginning of the bubble nucleation, and then varies around a fixed value. At the end of bubble nucleation, the potential energy of the system slowly increases. In the bubble nucleation of explosive boiling, the lower the initial equilibrium temperature, the larger the size of the molecular cluster, and the more the heat transferred into the system of the simulation cell, causing the increase potential energy in a larger range.     

Effect of nanostructures on evaporation and explosive boiling of thin liquid films: a molecular dynamics study

Molecular dynamics simulations have been employed to investigate the boiling phenomena of thin liquid films adsorbed on a nanostructured solid surface. The molecular system was comprised of the following: solid platinum wall, liquid argon, and argon vapor. A few layers of the liquid argon were placed on the nanoposts decorated solid surface. The nanoposts height was varied keeping the liquid film thickness constant to capture three scenarios: (i) liquid-film thickness is higher than the height of the nanoposts, (ii) liquid-film and nanoposts are of same height, and (iii) liquid-film thickness is less than the height of the nanoposts. The rest of the simulation box was filled with argon vapor. The simulation was started from its initial configuration, and once the equilibrium of the three phase system was established, the wall was suddenly heated to a higher temperature which resembles an ultrafast laser heating. Two different jump temperatures were selected: a few degrees above the boiling point to initiate normal evaporation and far above the critical point to initiate explosive boiling. Simulation results indicate nanostructures play a significant role in both cases: Argon responds very quickly for the nanostructured surface, the transition from liquid to vapor becomes more gradual, and the evaporation rate increases with the nanoposts height.     

纳米结构影响沸腾换热特性的分子动力学模拟

采用分子动力学方法模拟液体在纳米结构表面的快速沸腾过程.主要研究了纳米结构表面粗糙度以及栏栅形和棋盘形两种排列方式对液体快速沸腾过程以及换热特性的影响.研究结果表明,随着纳米结构表面粗糙度的增加,栏栅形和棋盘形纳米结构表面液体沸腾起始时间均提前.当栏栅形和棋盘形纳米结构表面粗糙度相同时,棋盘形纳米结构表面会进一步缩短液体沸腾起始时间.形成这种现象的原因是纳米结构表面粗糙度的增加,增加了固液接触面积,提高了初始时刻热通量,减小了固液界面热阻,导致表面附近液体动能增大,增大了液体高度方向的温度梯度,有利于液体发生沸腾.当纳米结构表面粗糙度相同时,棋盘形纳米结构表面具有较小的界面热阻,从而缩短了沸腾所需要的时间.     

介质阻挡放电六边形斑图稳定过程的光谱研究

采用发射光谱法,首次研究了等离子体参数及激发状态对介质阻挡放电六边形斑图稳定性的影响。在氩气/空气混合气体的介质阻挡放电中,随着电压的升高,放电丝直径增大,六边形斑图逐渐稳定,同时放电颜色由紫色逐渐变为灰白色,说明其等离子体状态及参数可能发生了变化。测量了六边形斑图放电过程中氮分子谱线和氩原子谱线相对于氩原子763.51 nm的相对强度、分子振动温度和电子激发温度随外加电压的变化。结果发现：氮分子谱线相对强度随电压增加而降低,氩原子谱线相对强度却升高;分子振动温度与电子激发温度均随电压增加而增大。这些现象表明：随着电压增大,电子能量增加。由此,氩原子激发增多,放电丝直径增大,介质表面上沉积的壁电荷面积增大,放电丝之间的相互作用增强,六边形斑图趋于稳定。     

杂质离子对等离子体边界参量的影响

采用一维流体模型研究了含有杂质离子的等离子体与器壁材料相互作用给边界等离子体参量带来的影响.通过数值模拟，研究了分别选用碳和钨作为器壁材料时，器壁温度不同情形下热发射产生的电子对等离子体器壁电势、电场强度、热发射电子流以及沉积器壁离子动能流的影响.研究结果发现，当面向等离子体材料表面温度升高时，器壁电势和热发射产生的电流将增加，器壁电场强度和离子沉积器壁动能流则会减小，并且钨作为器壁材料要比碳作为器壁材料对于等离子体边界参量影响更明显.此外，研究了钨作为器壁材料时，碳杂质离子（浓度和电荷数）对等离子体器壁参量的影响.     

高温氘等离子体中的势垒贯穿

讨论了高温氘等离子体中的势垒贯穿问题。在现有高温氘等离子体参数下，氘核间必须历经库仑散射与隧道贯穿相结合的复合贯穿才能引发核聚变。冷核聚变与热核聚变在本质上没有区别，都需要借助隧道效应才能发生，它们之间的差异仅在于引发隧道贯穿效应的初始条件不同。因此，在冷核聚变研究中除了过热外．也应有放射性物质的释放。     

等离子屏蔽效应下飞秒激光照射金箔的分子动力学模拟

采用耦合了双温度模型的分子动力学方法对飞秒激光烧蚀金箔的传热过程进行了模拟研究,考虑了非傅里叶效应,探究了不同激光能流密度下等离子体羽流的屏蔽作用.根据密度分布将激光烧蚀过程中的金箔划分为过热液体层、熔融液体层和固体层,并比较了不同激光能量密度下过热液体层表面发生的相爆炸沸腾现象以及表面温度的变化情况.结果表明,随着激光能量密度的增大,等离子体的屏蔽比例几乎呈线性增大.在激光的烧蚀过程中,金箔的上表面最先经历液体层以及过热液体层,并且随着时间的推移,液体层和过热液体层逐渐向金箔底部移动.过热液体层发生体积移除的相爆炸沸腾是金箔烧蚀的主要方式,随着激光能量的增大,爆炸沸腾发生的时间提前,并且结束的时间相应延后,持续时间变长.     

Characterization of the boiling width on metal quenching with spray cooling

A hot aluminum alloy AA6082 and nickel disc of 560°C and 850°C was cooled by water spray of various spray flux under different condition of experiment. Temperature history was recorded with use of an infrared camera. During the quenching process, it was observed that the area with no apparent boiling and the outer annular region with vigorous liquid boiling have formed the boiling region. The width of the boiling region is essential as the maximum heat flux point is within the boiling region. Boiling width increases with initial temperature but decreases with water subcooling, spray flux and salinity.