空泡流現象的非平衡分子動力學模擬和機理研究.pdf

1、流體中物體超高速運動的微觀機理是現代科技最前沿的研究領域之一，無論在軍事還是在民用技術中都具有極高的應用價值，特別是超空泡現象的研究，對水下航行體的減阻效應和超高速魚雷的設計至關重要，有著重要的科學價值。因此本工作得到了國家自然科學基金項目《超高速流體的汽液相變與界面現象研究》(20473073)的資助。
　　 本論文運用非平衡分子動力學模擬方法，研究了微觀體系條件下流體分子與固體壁面高速相對運動過程中流體流粒子的分布規(guī)律、狀態(tài)

2、性質、界面現象和摩擦情況等，特別是對開放體系超空泡現象的計算機模擬的實現，對超空泡流動中分子運動規(guī)律的觀察和微觀機理的探討，為真實環(huán)境中物體超高速運動的研究提供了重要的基礎數據。
　　 為了逐步深入研究不同體系不同條件下的流動，我們模擬了從簡單窄孔到開放體系，從簡單分子到甲烷和水等真實流體，從單系統(tǒng)到復合系統(tǒng)等模型，應用NEMD方法計算了流體壓力、密度、速度、界面張力、摩擦系數等物理化學性質，通過對流場細節(jié)的觀察，提出了一系列有

3、關高速流動現象的形成機理，并與宏觀流體力學理論進行了關聯(lián)。
　　 為了驗證分子動力學模擬程序和所建分子模型，本工作首先利用所建立的NEMD模型，代入平衡流動條件，模擬了宏量條件下甲烷的PVT關系，模擬結果與實驗測量值或文獻模擬值都能較好地吻合，說明本工作的模擬方法和設置基本正確。隨后，對微孔無阻礙流進行了非平衡模擬，獲得了符合宏觀水動力學的模擬結果，驗證了模擬程序與模型在非平衡流動模擬中的可行性。
　　 在上述研究的基礎

4、上，通過設定阻礙物模型，模擬計算了受限于窄縫孔中甲烷流體在160K溫度、不同力場作用以及不同阻礙物條件下的阻礙流流場細節(jié)。模擬結果發(fā)現在高速條件下阻礙流會在流經阻礙物時形成高密區(qū)和低密區(qū)，同時引發(fā)相應的壓力變化。流速對低密區(qū)形成有重要影響；阻礙物前端形態(tài)會影響流體兩相形成和前端壓力梯度，因此鈍頭阻礙物與其他流線形阻礙物相比將受到更大的壓差阻力，但對兩相界面表面張力影響不大；增加阻礙物長度或外力場強度會增大兩相間表面張力。同時流動中觀察到

5、的擺動波現象符合Rayleigh—Taylor理論，表明該模型可以作為數值模擬的補充，研究宏觀現象的微觀機理。
　　 為了將流體模型應用到更有實際意義的超空泡流動模擬中，本工作引入了新的開放體系模型。通過將EMD模擬體系與NEMD模擬體系結合，模擬系統(tǒng)由硅酸鹽狹縫孔擴展到開放體系，壁面限制作用被消除，外加力場改為恒流速流動，使得流體更為貼近真實流動狀態(tài)。通過引入局部空化數σι概念，模擬體系被劃分為多個獨立方格，以觀察超空泡的形成

6、過程以及不同因素對超空泡現象的影響。模擬結果表明，微觀條件下，空泡流的傳統(tǒng)判據空化數σ＜0.1仍然成立。產生低局部空化數的σι區(qū)域與實際上的空泡發(fā)生區(qū)域在空間上并不重疊；低σι區(qū)域可以引起微小氣泡的形成，雖然并不足以成為氣化核，但也能給流體帶來周期性的密度降：當低σι區(qū)域在運動速度方向上的尺度達到2流體分子直徑時，可以在其后方形成穩(wěn)定的超空泡；水下物體運動速度是引起超空泡的決定因素。
　　 在以上模擬工作成功的基礎上，進行了水分

7、子的超空泡模擬，試圖進一步挖掘該模型的實用價值。應用SPC/E水分子模型，模擬并研究了不同空化器設置和不同運動速度下，超空泡流動的密度分布、局部空化數分布、空泡含氣百分比和表面摩擦系數，并于數值模擬結果進行了對比。統(tǒng)計結果表明，平頭空化器在相同流速條件下較為容易產生優(yōu)良超空泡，空泡內含氣百分比較高，能進一步降低壁面摩擦力?？栈魍庑螌p阻效應有很大影響；超空泡現象可以降低航行體50％—90％的表面摩擦力。同時通過與數值模擬結果的對比，驗