模型二元有序合金固液界面结构的分子动力学研究

采用分子动力学方法,研究了模型二元有序合金体系的平衡界面结构和界面处原子的扩散行为.计算结果表明,该二元有序合金的固液界面属于光滑界面.由于固体中同时存在结构和化学有序,从而导致界面处的原子结构与单质以及异质固液界面的结构明显不同.在界面法向方向上,粒子数密度呈复杂的波动行为,并延伸到液体中约30 (A).对界面层的二维结构分析表明,固液转变层部分原子形成了二维固体团簇.从固体到液体,扩散系数从零逐渐增加到一个饱和值.在界面处附近,平行于界面方向的扩散系数明显比垂直于界面方向的大.     

粗糙壁面间界面换热的分子动力学模拟

采用非平衡态分子动力学方法研究了纳米尺度下固体壁面润湿性和粗糙元对固液界面换热的影响。固液界面由铂固壁与液体氩接触形成,并在固壁上分布着不同形状的粗糙元,包括三角形、矩形、正弦和随机形状,通过虚拟原子法将两侧固壁恒定于不同温度,通过USHER法使液体密度恒为定值。模拟结果表明：（1）润湿性越小、粗糙元面积比率越大,界面...     

Cu固液界面能的分子动力学计算

本文使用分子动力学方法对液相Cu中不同半径晶胚的生长和熔化行为进行了研究. 随着半径的增加, 晶胚生长的临界温度升高. 临界形核过冷度和晶胚半径倒数成正比关系, 这和经典形核理论一致. 由上述关系计算得到Cu的Gibbs-Thomson系数为1.12×10^-7 K·m, Cu的固液界面能为0.146 J/m², Cu的Turnbull系数为0.416, 这些计算值均与实验值一致. 关键词： 分子动力学 经典形核理论 固液界面能     

汽液界面热毛细波的分子动力学模拟

用分子动力学模拟方法研究汽液界面性质,在NVT系综中,以氩原子为对象,对长方形模拟盒中汽液平衡系统进行不同温度下的模拟计算。计算结果表明,汽液界面存在热毛细波。界面上的热涨落将使界面变宽,它不仅与界面张力有关,还与温度、界面的横截面积有关。可以把汽液界面上热毛细波的均分根涨落值,作为汽液界面的宽度和粗糙度的指标。     

非对称纳米通道内界面热阻的分子动力学研究

微尺度系统传热具有较小的热惯性和较快的热响应,在控制传热方面具有独到的优势.本文利用分子动力学方法研究了纳米通道中壁面温度及壁面润湿性不同时,静态流体和动态流体下界面热阻的变化规律.结果表明,在静态流体中,壁面润湿性的增强会显著降低界面热阻,对于温度不同的壁面,当润湿性较弱时,可以观察到高温壁面处的界面热阻高于低温壁面处,反之,当润湿性较强时,壁面温度对界面热阻的影响较小;对流体区域施加外力使流体流动,结果显示外力的增加能有效提高系统的热通量,流体温度升高.当润湿性较弱时,外力的增大能显著减低界面热阻,而随着壁面润湿性增强,外力对界面热阻的影响逐渐减小.此外,本文将界面热阻与壁面吸附流体分子数量相联系,发现在静态流体中,界面热阻值与壁面吸附流体分子的数量呈负相关;而在动态流体中,外力的变化对吸附分子数量的影响较小,壁面润湿性的强弱是影响壁面吸附流体分子的主要影响因素.     

简单金属固液界面固化过程生长机制的分子动力学研究

采用分子动力学方法,研究两种简单金属Ni、Al固液界面的动力学过程.结果表明：两种金属表现出相同的特征,即界面温度存在某个特征值（T^*）,生长速度在这个特征温度附近达到最大值.高于这个温度时,随着过冷温度（熔点温度与界面温度差）的增加生长速度单调增加,低于这个温度时,Ni的生长速度几乎不变,而Al的生长速度随过冷温度的增加而快速减小到零.在此基础上,基于高温BGJ碰撞约束模型和低温W-F扩散模型分析界面的生长机制,发现在小过冷温区和深过冷温区存在碰撞机制和扩散机制的渐变过程,不同温区二者所起的主导作用不同,生长机制的转变是T^*存在的原因.     

核磁共振成像技术在液-固-液界面接触角测量中的应用

介绍了利用核磁共振成像的办法获得一般光学方法难以得到的水-破璃-油界面、水-玻璃-苯界面影像的实验工作,并利用得到的图像拟合了其界面接触角的值.实验中首次将核磁共振断面成像的办法应用到接触角影像分析中去,并且作了从气-固-液接触角测量到液-固-液接触角测量的有益尝试.     

纳米流体中固-液作用影响界面热阻及导热率的分子动力学研究

纳米流体中固-液界面处由于声子散射形成界面热阻,给纳米流体内热量传递带来阻力。为研究界面热阻对纳米流体导热率的影响,以Cu-Ar纳米流体为基础模型,采用非平衡分子动力学方法研究了纳米粒子-流体相互作用强度与界面热阻的定量关系。研究表明,随着纳米粒子-流体相互作用强度增大,界面热阻显著降低,其机制在于流体分子的吸附作用增强了纳米粒子表面原子的振动强度,从而促进了纳米粒子与流体之间的热传递。增大纳米粒子-流体相互作用强度可显著提高纳米流体导热率,且界面热阻对纳米流体导热率的影响程度随纳米粒子尺寸减小而增大。     

Mg-Al合金熔体中固液界面结构的分子动力学研究

本文采用分子动力学研究了Mg-3%Al合金熔体中固液界面结构及界面附近原子的扩散行为.计算结果表明,该二元合金的固液界面为粗糙界面.垂直于界面方向的数密度分布,表现出复杂波动的特征,这种波动一直延伸到液体中.在界面附近的区域,扩散系数的三个不同方向的分量表现出了明显的各向异性,并且这种各向异性一直持续到液相当中.对界面二维结构的分析表明,界面附近液相原子的二维排列呈现出从长程有序逐渐过渡到短程有序的变化.     

Impact of thermostat on interfacial thermal conductance prediction from non-equilibrium molecular dynamics simulations

The knowledge of interfacial thermal conductance (ITC) is key to understand thermal transport in nanostructures. The non-equilibrium molecular dynamics (NEMD) simulation is a useful tool to calculate the ITC. In this study, we investigate the impact of thermostat on the prediction of the ITC. The Langevin thermostat is found to result in larger ITC than the Nose-Hoover thermostat. In addition, the results from NEMD simulations with the Nose-Hoover thermostat exhibit strong size effect of thermal reservoirs. Detailed spectral heat flux decomposition and modal temperature calculation reveal that the acoustic phonons in hot and cold thermal reservoirs are of smaller temperature difference than optical phonons when using the Nose-Hoover thermostat, while phonons in the Langevin thermostat are of identical temperatures. Such a non-equilibrium state of phonons in the case of the Nose-Hoover thermostat reduces the heat flux of low-to-middle-frequency phonons. We also discuss how enlarging the reservoirs or adding an epitaxial rough wall to the reservoirs affects the predicted ITC, and find that these attempts could help to thermalize the phonons, but still underestimate the heat flux from low-frequency phonons.     

Study of lattice thermal conductivity of alpha-zirconium by molecular dynamics simulation

The non-equilibrium molecular dynamics method is adapted to calculate the phonon thermal conductivity of alphazirconium. By exchanging velocities of atoms in different regions, the stable heat flux and the temperature gradient are established to calculate the thermal conductivity. The phonon thermal conductivities under different conditions, such as different heat exchange frequencies, different temperatures, different crystallographic orientations, and crossing grain boundary (GB), are studied in detail with considering the finite size effect. It turns out that the phonon thermal conductivity decreases with the increase of temperature, and displays anisotropies along different crystallographic orientations. The phonon thermal conductivity in [0001] direction (close-packed plane) is largest, while the values in other two directions of [2īī0] and [01ī0] are relatively close. In the region near GB, there is a sharp temperature drop, and the phonon thermal conductivity is about one-tenth of that of the single crystal at 550 K, suggesting that the GB may act as a thermal barrier in the crystal.     

空间相机接触热阻的计算

为了解决空间相机接触热阻难以确定的问题,从接触面传导和辐射换热的角度考虑,给出了其接触热阻的计算方法。根据空间相机的材料、加工、装配及其特殊运行环境,得到一个合理的接触系数范围。以空间相机的正视相机为例,对其结构进行合理的简化,利用I-DEAS/TMG热分析模块建立有限元模型,仿真计算了低温稳态平衡工况,考查了热阻波动对温度分布的影响。正视相机热分析计算结果和热环境模拟试验数据较为吻合,最大偏差为0.45℃。研究结果表明,该接触热阻计算方法合理,可以预测太空环境中干接触的精密加工表面间的接触热阻。     

纳米沟槽表面黏着接触过程的分子动力学模拟研究

采用大规模分子动力学方法研究了刚性球型探头与具有不同纳米沟槽基体表面的黏着接触过程,探讨了表面沟槽结构对载荷-位移曲线、接触引力和拉离力以及材料转移的影响规律.研究结果表明:在相同的压入深度下,与原子级光滑表面的黏着接触过程相比,刚性探头与具有纳米沟槽结构基体表面的接触压力较小,接触加载过程中的引力作用范围较大,并伴随载荷的多次跳跃,且接触引力和拉离力均有减小;当沟槽深度相同时,随着沟槽宽度的增大,接触引力和拉离力逐渐减小,当沟槽宽度逐渐接近探头与光滑表面的接触直径时,接触引力和拉离力又逐渐增大,趋于接近探头与光滑表面的接触过程;当沟槽宽度相同时,随着沟槽深度的增大,接触引力相对减小,拉离力变化不大.     

A molecular dynamics study on interfacial heat transport of alkanethiol surfactant coated nanofluids-effect of chain length and stiffness

The thermal transport across the alkanethiol surfactant layer at the nanoparticle/base fluid interface in nanofluids was investigated by molecular dynamics simulation, with consideration of the conformation of the surfactant layer with different surfactant chain lengths and backbone stiffness. The variation of temperature drop at nanoparticle-surfactant interface reveals that the interfacial thermal conductance was mediated by the chain length, possibly due to the difference in the adsorption density of surfactant on the surface of the nanoparticles, because of the blocking effect from the bending of the long alkyl chains. The intrinsic thermal conductivity of the surfactant layer increased with decreasing chain length and increasing chain stiffness because of the phonon scattering effect from the bending and cross-linking of the alkyl chains. We quantified the modes of heat flow across the surfactant layer and found that the contribution of intramolecular bonded interaction was much higher than that of atomic translation and nonbonded interaction separately. By analysing the variation of bonded interaction contrition with chain length and stiffness, it is demonstrated that the increased thermal conductivities benefited from the enhanced thermal transfer through the covalent bonds of surfactant molecules. The results can provide insights into the design of thermally conductive surfactants.     

测定双层组合介质接触热阻

 当激光辐照双层固体组合介质的外表面时，在变物性及界面接触热阻不变的条件下，数值计算了介质内部温度场时空分布。实验测定该双层介质背面对应点的温度曲线，与数值计算的结果进行比较，从而确定介质界面间的接触热阻。     

表面黏附导致的接触行为转变

应用大规模分子动力学方法, 模拟了具有不同原子级粗糙形貌的两种刚性球形探头与弹性平面基体的黏附接触行为. 研究了载荷与真实接触面积、接触界面排斥力与真实接触面积, 以及黏附力与真实接触面积之间的关系. 分子模拟得到的载荷与真实接触面积的关系, 与连续力学接触理论预测很好地定性一致. 无论是原子级光滑探头还是粗糙探头, 黏附接触下的排斥力与真实接触面积的关系, 都与无黏附接触时的规律相一致, 即黏附力对接触行为的影响作用, 可以等效为附加在真实外载荷基础上的虚拟载荷, 将对黏附接触行为的分析转变为无黏附接触分析. 两种探头的黏附力随真实接触面积都呈幂函数形式的增长, 但是, 原子级光滑探头的幂指数大于1, 而原子级粗糙探头的幂指数小于1. 关键词： 接触行为 表面黏附 分子动力学模拟