界面张力对Rayleigh-Taylor不稳定性的影响

将具有简单速度势的Layzer模型和Zufiria模型推广至非理想流体情况, 并分别利用这两种模型研究了界面张力对Rayleigh-Taylor不稳定性的影响. 首先得到了两种模型下气泡的渐近速度和渐近曲率的解析表达式; 其次系统研究了界面张力对气泡的渐近速度和渐近曲率的影响; 最后将两种模型进行了比较, 并将气泡的渐近速度和数值模拟进行了比较. 研究表明: 界面张力压低了气泡的速度, 但对曲率没有影响; 利用简单速度势的Layzer模型所得的气泡的渐近速度比复杂速度势的Layzer模型的值小, 但是比Zufiria模型的值大; 当阿特伍德数等于1时, 简单速度势的Layzer模型和复杂速度势的Layzer模型给出的结果一致. 关键词： Rayleigh-Taylor不稳定性 界面张力 Layzer模型 Zufiria模型     

R32添加剂对提高CO_2水-水热泵系统效率的实验研究

本文对CO_2系统中添加R32添加剂含量在1%~5%进行了实验研究。实验结果表明:在R32添加剂含量为5%时,压缩比明显提高;添加R32添加剂后,压缩机功率降低;系统制热效率在部分工况下明显提高,当R32添加剂含量为4%,蒸发温度为0℃时,其最大制热效率达到4.43,与CO_2纯质相比,提高近4%;当R32添加剂含量为4%,系统制冷效率达到最大,在蒸发温度为0℃时,最大值为3.87,与CO_2纯质相比,提高近7%;气体冷却器出口水温都有所降低。     

界面氢键对受限水结构和动态特性的影响

应用反应力场分子动力学方法, 模拟了水限制在全羟基化二氧化硅晶体表面间的弛豫过程, 研究了基底表面与水形成的界面氢键, 及其对受限水结构和动态特性行为的影响. 当基底表面硅醇固定时, 靠近基底表面水分子中的氧原子与基底表面的氢原子形成强氢键, 这使得靠近表面水分子中的氧原子比对应的氢原子更靠近基底表面, 从而水分子的偶极矩远离表面. 当基底表面硅醇可动时, 靠近基底表面水分子与基底表面原子形成两种强氢键, 一种是水分子中的氧原子与表面的氢原子形成的强氢键, 数量较少, 另一种是水分子中的氢原子与表面的氧原子形成的强氢键, 数量较多, 这使得靠近表面水分子中的氢原子比对应的氧原子更靠近表面, 从而水分子的偶极矩指向表面. 在相同几何间距下, 当基底表面硅醇可动时, 表面的活动性使得几何限制作用减弱, 导致了受限水分层现象没有固定表面限制下的明显. 此外, 固定表面比可动表面与水形成的界面氢键作用较强, 数量较多, 导致了可动表面限制下水的运动更为剧烈.     

耦合界面张力的三维流体界面不稳定性的格子Boltzmann模拟

采用介观格子Boltzmann方法模拟界面张力作用下三维流体界面的Rayleigh-Taylor (RT)不稳定性的增长过程,主要分析表面张力对流体界面动力学行为及尖钉和气泡后期增长的影响机制.首先发现三维RT不稳定性的发生存在临界表面张力(σ_c),其值随着流体Atwood数的增大而增大,且数值预测值与理论分析结果σ_c=(ρ_h-ρ₁)g/k~2一致.另外,随着表面张力的增大,不稳定性演化过程中界面卷吸程度和结构复杂性逐渐减弱,系统中界面破裂形成离散液滴的数目也显著减少.相界面的后期动力学行为也从非对称发展转向始终保持关于中轴线对称.尖钉与气泡振幅在表面张力较小时对其变化不显著,当表面张力增大到一定值后,可以有效地抑制尖钉与气泡振幅的增长.进一步发现,高雷诺数三维RT不稳定性在不同表面张力下均经历4个不同的发展阶段:线性阶段、饱和速度阶段、重加速和混沌混合阶段.尖钉与气泡在饱和速度阶段以近似恒定的速度增长,其渐进速度的值与修正的势流理论模型结果一致.受非线性Kelvin-Helmholtz旋涡的剪切作...     

水分子模型差异对汽液界面参数分布的影响

本文采用平衡分子动力学模拟方法,基于不同水分子模型(SPC、SPCE、TIP3P、TIP4P和TIP5P模型)进行了不同温度条件(330～550 K)下的模拟,得到了汽液平衡系统.统计得到的密度分布表明:TIP5P模型统计结果与试验值偏差较大, SPCE模型统计结果与试验值偏差较小,因而更适合高温下的汽液界面性质的模拟.分析不同模型对应的Lennard-Jones(L-J)势能及静电势能的变化规律表明;在同一温度下L-J势垒高度和静电势阱深度都按SPCE、SPC、TIP4P、TIP3P和TIP5P模型顺序呈递减趋势.不同水分子模型在空间结构和作用点个数方面存在的差异是导致上述规律的直接原因.复杂的分子结构和相互作用使得液相区内分子间斥力作用和汽相区内分子间引力作用表现更为显著.     

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。     

截断半径变化对汽液界面参数和分维数的影响

本文在分形理论基础上,采用分子动力学模拟方法研究了在平衡状态下的汽液界面参数,得了界面区内的密度、 温度、压力张量、表面张力和分维数的分布。研究表明,利用分形理论可以较好的反映汽液界面的特性。势函数的截断半 径对汽液界面参数和分维数的模拟值存在影响。     

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.     

温度对金刚石涂层膜基界面力学性能的影响

利用分子动力学方法建立了硬质合金基底金刚石涂层膜基界面模型, 并采用Morse势函数和Tersoff势函数相互耦合的方法来表征模型内原子间的相互作用关系, 在此基础上对不同温度(0–800 K)条件下硬质合金基底金刚石涂层膜基界面的力学性能进行了分子动力学仿真计算. 结果表明: 当温度由0 K上升到800 K的过程中, 金刚石涂层膜基界面拉伸强度呈下降趋势, 并且在0–300 K范围内下降趋势明显, 在300–800 K范围内下降趋势缓和; 体系能量随温度的变化具有相同的下降趋势.     

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.     

SiC/C界面辐照性能的分子动力学研究

本文通过分子动力学模拟的方法,研究了5种含不同空间结构的SiC/C界面的材料受辐照后的缺陷分布随时间以及PKA位置的变化关系,并与单质SiC中缺陷分布情况进行对比.利用径向分布函数分析了辐照对界面原子排列情况的影响.研究结果表明,SiC/C界面的抗辐照能力明显低于SiC内部,不同的空间结构对界面缺陷数量存在一定影响.由径向分布函数推得界面区域石墨原子密度高则界面原子排列情况受辐照影响越大.     

缺陷增强铜/金刚石界面热导的分子动力学研究

铜和金刚石热载流子不同且声子态密度差异大,限制了其界面热输运。本文采用分子动力学模拟对铜和金刚石的界面热输运机理进行探究,提出通过对界面附近纳米尺度的金刚石层添加缺陷来改善其与铜的界面声子耦合。计算结果表明,在缺陷浓度为0.08时,铜和金刚石的界面热导比未添加缺陷时提高了89.2%。并进一步发现,虽然有缺陷的金刚石薄层自身热导率有所下降但仍远高于一般的热界面材料,因此界面处的集总热阻仍然得到了大幅降低。     

回热器对跨临界CO_2压缩喷射系统的影响

为了研究回热器对跨临界CO2压缩喷射系统的影响,本文在自行搭建的跨临界CO2压缩喷射系统实验平台上,通过改变冷却水进口温度分别对带回热器的跨临界CO2压缩喷射系统(TCES-IHX)和不带回热器的跨临界CO2压缩喷射系统(TCES)进行了性能测试.分析和比较了这两种系统模式下制热系数(COPh)、制热量、喷射系数、升压...     

CO_2和H_2O对合成气层流燃烧速度的影响

利用高速纹影摄像方法结合定容燃烧弹研究了CO_2和H_2O稀释对CO/H_2/air混合气层流燃烧速度的影响,获得了不同当量比、稀释气和CO/H_2比例下合成气的层流燃烧速度。结果表明,CO_2与H_2O对合成气层流燃烧速度的影响有显著差异。总体上来说,CO_2具有更强的稀释效果。从化学反应的角度出发,CO_2与H_2O对合成气的燃烧化学反应有着截然相反的效果,CO_2抑制燃烧化学反应,而H_2O起到促进燃烧化学反应的作用。     

细蛇形管内超临界压力CO_2层流对流换热数值研究

本文对超临界压力CO_2在微细蛇形管内层流对流换热开展了数值模拟研究。研究的蛇形管内径0.5 mm,弯曲半径2 mm,入口雷诺数200~500,压力9 MPa。分析了变物性、浮升力和离心力的影响,对特征截面温度与速度分布进行了详细分析。结果表明:向上流动时,截面温度和速度呈对称分布,水平流动时,对称性消失;截面上两对涡的分布在向上和水平流动时呈现不同特性,换热强化和减弱区域不同。     

CO_2气氛对燃料N析出特性的影响

在水平管式炉上进行徐州烟煤在Ar和CO_2气氛下的热解试验,研究CO_2气氛对燃料N析出特性的影响。结果发现,两种气氛下,NH_3的收率随温度的升高均先升高后减小,在800℃时达到一个最大值,Ar气氛下此最大值比CO_2气氛下大很多;两种气氛下,HCN的收率均随温度的升高而升高。两种气氛下随着温度的升高,HCN与NH_3的收率比均升高,但在CO_2气氛下收率比更大,说明CO_2的氧化作用和气化作用促进了燃料N向HCN的转化。     

金刚石/硅(001)异质界面的分子动力学模拟研究

采用分子动力学方法模拟研究了未重构的金刚石/硅(001)面相接触时界面层原子的弛豫过程及所形成的异质界面的结构特征.硅碳二元系统中原子间的相互作用采用Tersoff多体经验势描述.弛豫前沿[110]与[110]方向界面碳硅原子数之比均为3∶2.界面碳硅原子总数之比为9∶4.弛豫后金刚石与硅界面处晶格匹配方式改变为[110]方向基本上以3∶2关系对准,而[110]方向大致以1∶1关系对准.相应地,界面碳硅原子总数之比接近3∶2.界面下方部分第二层硅原子在弛豫过程中向上迁移至界面是引起这种变化的原因,同时该层其他原子及其底下一到两个原子层厚度的区域在[001]方向上出现一定程度的无序化转变倾向.金刚石/硅异质界面处的硅碳原子发生强烈键合,形成平均键长为0.189nm的硅碳键.研究证实,晶格匹配主要呈现界面及其附近硅原子迎合界面碳原子排列的特点. 关键词： 金刚石 硅 异质界面 分子动力学     

纳米尺度下Si/Ge界面应力释放机制的分子动力学研究

采用分子动力学方法研究了纳米尺度下硅(Si)基锗(Ge)结构的Si/Ge界面应力分布特征,以及点缺陷层在应力释放过程中的作用机制.结果表明:在纳米尺度下, Si/Ge界面应力分布曲线与Ge尺寸密切相关,界面应力下降速度与Ge尺寸存在近似的线性递减关系;同时,在Si/Ge界面处增加一个富含空位缺陷的缓冲层,可显著改变Si/Ge界面应力分布,在此基础上对比分析了点缺陷在纯Ge结构内部引起应力变化与缺陷密度的关系,缺陷层的引入和缺陷密度的增加可加速界面应力的释放.参考对Si/Ge界面结构的研究结果,可在Si基纯Ge薄膜生长过程中引入缺陷层,并对其结构进行设计,降低界面应力水平,进而降低界面处产生位错缺陷的概率,提高Si基Ge薄膜质量,这一思想在研究报道的Si基Ge膜低温缓冲层生长方法中初步得到了证实.