Page 24 - 《真空与低温》2025年第4期
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刘俊明等:填料润湿性对         CH 4 -C 2 H 6 -CO 2 流动传热影响的分子动力学模拟                 439


                         [9]
              集和后处理 。在数据采集和后处理阶段对空间                             来确定不同种类原子间相互作用的 L-J 参数:
                                                 *
                                               *
              坐标均进行了无量纲化处理:假设                 y ,z 是图  1 所示                            σ i +σ j
                                                                                  σ ij =                 (2)
              模型中某一点的         y、z 方向的空间坐标值,Y、Z            是                              2
                                                                                        √
              无 量 纲 化 后的     y、 z 方 向 的 空 间 坐 标 值 , 以    Y =                      ε ij = α ε i ε j       (3)
                y ∗        z ∗
                                                                        、
                    、Z =      的标准进行无量纲化。经过无量纲                   式中:   σ i σ j分别为原子     i、原子   j 的尺寸参数;      ε i、
              15 nm       8 nm
              化后,驱动力施加区域位于{(Y,Z)| 0 < Y≤0.066 7 ,               ε j分别为原子     i、原子   j 的势阱深度;α      为能量参数,
                                                                用于调节不同种类原子之间的相互作用大小。
              0.187 5≤Z≤0.812 5}, 温 度 修 正 区 域 位 于 {(Y, Z)
                                                                     在模拟计算中,对于非金属原子间的相互作用,
              | 0.066 7<Y≤0.133 3 ,0.187 5≤Z≤0.812 5},数据采
                                                                式(3)中 α 取值为      1。对于非金属原子与金属原子
              集 区 域 位 于{(Y, Z)| 0.133 3<Y≤0.8 , 0.187 5≤Z≤
                                                                间的相互作用,通过调整 α 的取值,可实现调控壁
              0.812 5}。在模拟中对不同种类的分子进行分组,
                                                                面润湿性的效果。本文            α ∈ (0,1],α 越大,原子间
              监测流体分子的温度随模拟时间的变化情况。当
                                                                相互作用力越强,壁面对于流体的润湿性越强。
              监测的温度值达到稳定,如果仅有小幅度波动,即
                                                                     为了保证模拟计算模型的准确性,分别对                   CH 4 、
              认为通道内的流动传热过程达到稳定状态。
                                                                C 2 H 6 和  CO 2 纯组分气液相进行了模拟,将得到的
                                                                结果与    NIST  标准数据以及相关参考文献数据进行
                                                        CH
                                                           4    对比。
                                                        C H
                                                         2  6
                                                        CO 2         CH 4 采用了   TraPPE  模型,在   130 ~170 K  的温
                   Z=8 nm                               Fe
                                                        Cr      度区间内进行模拟,将计算输出的密度数据分别与
                Z
                                                        Ni
                                                                美国国家标准与技术研究院(NIST)给出的                   CH 4 饱
                   Y
               O                                                和气液相密度标准数据以及               Martin 等  [10]  的模拟计
                  X                     Y=15 nm
                    X=2 nm
                                                                算结果进行对比,结果如图             2 所示。采用     TraPPE  模
                         图  1 纳米通道流动模型示意图                       型计算的密度数据与           NIST  标准数据相比,平均相
                   Fig. 1 Schematic diagram of the molecular model  对误差为  7.52%,最大相对误差为       15.29%。与   Martin

                                                                的模拟计算结果相比,平均相对误差为                     3.43%,最
                  在势函数方面,CH 4 采用         TraPPE-UA(Transfer-
                                                                大相对误差为        8.41%。因此,可以认为采用           TraPPE
              able Potentials for Phase Equilibria - United Atom)模
                                                                模型对    CH 4 进行模拟具有很好的预测精度。
                [10]
                                                  [11]
              型 ,C 2 H 6 采用改进的    TraPPE-UA2 模型 。TraPPE

              在 预 测 热 物 理 性 质 方 面 保 持 了 高 度 的 准 确 性,
                                                                        0.4
              TraPPE-UA2 通过优化分子形状以及             Lennard-Jones
              和  Coulomb 相互作用之间的平衡来优化             TraPPE-UA             0.3
              力场,达到了更高的预测准确度。CO 2 采用                 Zhu 等 [12]                               NIST
                                                                                              Martin(1998)
              建立的一种二氧化碳全柔性势模型,这是基于                       CO 2          ρ/ ( g·mL −1 )  0.2    TraPPE
              基本物理模型(EPM2)势参数的重新标度计算得到                                  0.1
              的模型,该模型可以准确地预测高低温和低压下的
              微观结构和相行为。金属原子间的相互作用采用                                      0
              嵌入原子势能函数模型(embedded atom method)来                             130    140   150   160   170
                                                                                         T/K
              描述,金属原子与非金属原子之间的相互作用采
              用  Lennard-Jones 势能函数描述。Lennard-Jones 势                      图  2 CH 4 气液相密度数据对比
              能函数的表达式为:                                             Fig. 2 Comparison of gas-liquid density data of CH 4
                                  (  ) 12 (  ) 6  
                                   σ ij                            C 2 H 6 采 用 了  TraPPE-UA2 模 型 , 在  197~275 K
                                          σ ij 
                                        −            (1)
                                               
                          U i j = 4ε ij 
                                                
                                    r i j   r ij                的温度区间内进行模拟,将计算输出的密度数据分
              式中:U i 为势能函数;       ε ij为原子相互作用的势阱深               别与   NIST  给出的   C 2 H 6 饱和气液相密度标准数据、
                     j
              度; σ ij为原子相互作用的尺寸参数;              r i j为原子  i 与   Martin 等  [10] 、Shah 等  [11]  的模拟计算结果以及采用
              原子   j 的距离。采用 Lorentz-Berthelot 混合规则        [13]  TraPPE  模型得到的计算结果进行对比,结果如图                   3
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