爆发沸腾形核分子动力学模拟和势能分析.pdf

中国工程热物理学会 传热传质学 + 学术会议论文 编号073399 爆发沸腾形核分子动力学模拟和势能分析 邹玉k2淮秀兰1梁世强1 100080 100049) (1中国科学院工程热物理研究所，北京， 2中囝科学院研究生院， 北京， Tel：010 Email：hxl国mail．etp．ac。cn’ 摘要：爆发沸腾是沸腾传热的一种新现象，在传统工业和现代高科技工业中均具有广泛应用。由于爆 发沸腾过程的持续时间非常短暂，形核过程很难通过实验观察到。本文采用分子动力学模拟方法研究 了激光加热所引起的液氮爆发沸腾中高能分子团簇的均质形核与能量转换过程，通过计算系统势能变 化分析广高能分子团能量、尺寸以及液体温度对爆发沸腾形核过程中能量转换的影响。 关键词： 爆发沸腾， 形核， 分子动力学模拟 1 弓I言 ． 爆发沸腾是在瞬时高热流作用引发的～种超常沸腾现象，它的特征在于液体被快速 加热至高度过热，导致急速爆发式的汽泡形核与生长。随着现代高新技术的发展，超急 速爆发沸腾被广泛应用于金属材料的激光融敷、微电子元器件冷却、微电子机械系统 (MEMs)等。由于爆发拂腾发生在很短的时间与很小的空间尺度内，使经典理论与实 验测试技术面临巨大挑战，从而使人们对其微观机理的认识还非常有限。 未发现采用分子动力学模拟对爆发沸腾形核过程中高能分子团能量转化及其影响因素 进行分析。为此，本文试图采用分子动力学模拟来分析高能激光加热下液氮爆发沸腾形 核过程中高能分子团簇的能量转换以及液体温度、高能分子团能量和尺寸等因素对能量 转化的影响。 2模型建立过程 根据Kwak【5】的理论，在亚稳态液体中高能量分子聚集形成高能分子团，高能分子 ，团会在亚稳态液体中自由扩张形成气泡。图1【6】为实验所测激光加热条件1F饱和液氮爆 发沸腾过程中温度随时间的变化。从图中可以看出，加热面附近液体温度在沸腾初始阶 段最高达350K，持续时间仅几个微秒；随后液氮温度开始回落，并且最终接近液氮在1 个标准大气压下的临界温度。 氮分子的分子力场可以用Lennard—Jones势来描述： 厂厂 、12 厂 、6] f 痧(‘，，)=4占l[号j一[、号j ，，、 +本课题得到国家自然科学基金资劬(No及国家商技术研究发展计划项目 (No．2006AA052203) 549 4∞ 其中，码是两个分子之间的距离，￡和 3，O 。分别代表了模拟过程中的能量单位 3∞ 譬 和长度单位。对于氮分子，￡=1．33× 、 2，O 鹄 2∞ 10。21J，o=3．694×10’10m。时间单位．r 孵 可以表示为： 150 Ioo 50 (2)