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