论文摘要
为了研究液体中气泡成核微观机理,避免空化对水力机械系统造成危害,本文以分子动力学技术为主要手段,运用多种水分子模型计算了水的物理性质,选用合适的水分子模型研究了纳米空气核在水中的稳定性,微观成核现象的演化过程,以及液态水在金属表面的成核现象,主要内容如下:1.在结合前人对水分子相图研究的基础上,计算分析对比不同水分子计算模型的特点与可应用范围。通过液氩比较平衡分子动力学与非平衡分子动力学计算精度,结论表明在物性参数计算方面,平衡分子动力学计算准确度高于非平衡分子动力学。对不同温度下SPC/E、SWM4-NDP、TIP3P、TIP4P、COMB3等水分子模型的黏度、热导率和扩散系数进行了分子动力学模拟,结果表明极化水分子模型SWM4-NDP、COMB3的模拟结果与实验误差总体上小于传统非极化刚性水分子模型。在刚性水分子模型中,TIP4P模型在不考虑相变、传热等因素的条件下模拟精确度相对较高。2.基于TIP4P刚性水分子模型,研究空气核在水中的稳定性,应用分子动力学的模拟方法,对存在空气核的水分子计算域进行了研究,得到了空气核在液态水中的瞬态特性并分析了影响其稳定性的关键因素,结果表明:具有一定质量的空气核能在液态水中维持动态平衡。在外界液体压力,空气核内压力和液体表面张力的共同作用下,空气核在水中逐渐达到动态平衡。一定体积的空气核内部密度存在使其稳定存在于水中的临界值,空气核质量与其平衡半径呈正相关,空气核在水中呈平衡态时核内密度与气核半径呈负相关。液体表面张力是影响空气核稳定性的重要因素。随着空气核半径的增大,液态水表面张力总体呈减小趋势。空气核初始半径越大,水压越小,越容易诱发空化初生。3.基于极化水分子模型SWM4-NDP,并应用分子动力学的模拟方法,研究了存在气穴的水分子计算域在成核过程中的密度分布,径向分布函数,分子偶极矩以及体系扩散系数,结果表明:在气核“初生”阶段,水中气穴体积逐渐增大发展为气核;在气核“融合”阶段,体系中产生出新的气核,气核相互融合成体积更大的气核;在气核“扩散”阶段,气核溃灭,气态水分子遍布整个体系,液态水分子变成团簇状。在气核“初生”阶段,双曲函数可以被用来拟合从气核中心向外的密度分布。温度影响成核时液态水相变的程度,温度高的体系成核时相变更为剧烈,因此体系也具有更大的扩散系数。4.基于COMB3极化水分子模型,并应用分子动力学的模拟方法,研究了液态水在铜金属表面的成核,发现当液态水受到拉应力而内部压力减小到负压时,在移动的金属表面上逐渐发生成核现象,当气核生长到一定体积后核内出现气态水分子。温度较低的体系中气核形状较为规则,温度较高的体系拥有较快的成核速率。成核过程中液态水体系的扩散系数逐渐增大,局部压力有规律性地剧烈波动,不同温度的体系成核过程中分子排布具有差异。
论文目录
文章来源
类型: 硕士论文
作者: 陈铭
导师: 付强,朱荣生
关键词: 水力机械,空化,气核
来源: 江苏大学
年度: 2019
分类: 基础科学,工程科技Ⅱ辑
专业: 力学,动力工程
单位: 江苏大学
分类号: TK72;O351.2
总页数: 81
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