空泡流現(xiàn)象的非平衡分子動(dòng)力學(xué)模擬和機(jī)理研究.pdf

1、流體中物體超高速運(yùn)動(dòng)的微觀機(jī)理是現(xiàn)代科技最前沿的研究領(lǐng)域之一，無論在軍事還是在民用技術(shù)中都具有極高的應(yīng)用價(jià)值，特別是超空泡現(xiàn)象的研究，對(duì)水下航行體的減阻效應(yīng)和超高速魚雷的設(shè)計(jì)至關(guān)重要，有著重要的科學(xué)價(jià)值。因此本工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目《超高速流體的汽液相變與界面現(xiàn)象研究》(20473073)的資助。
　　 本論文運(yùn)用非平衡分子動(dòng)力學(xué)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(duì)運(yùn)動(dòng)過程中流體流粒子的分布規(guī)律、狀態(tài)

2、性質(zhì)、界面現(xiàn)象和摩擦情況等，特別是對(duì)開放體系超空泡現(xiàn)象的計(jì)算機(jī)模擬的實(shí)現(xiàn)，對(duì)超空泡流動(dòng)中分子運(yùn)動(dòng)規(guī)律的觀察和微觀機(jī)理的探討，為真實(shí)環(huán)境中物體超高速運(yùn)動(dòng)的研究提供了重要的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。
　　 為了逐步深入研究不同體系不同條件下的流動(dòng)，我們模擬了從簡(jiǎn)單窄孔到開放體系，從簡(jiǎn)單分子到甲烷和水等真實(shí)流體，從單系統(tǒng)到復(fù)合系統(tǒng)等模型，應(yīng)用NEMD方法計(jì)算了流體壓力、密度、速度、界面張力、摩擦系數(shù)等物理化學(xué)性質(zhì)，通過對(duì)流場(chǎng)細(xì)節(jié)的觀察，提出了一系列有

3、關(guān)高速流動(dòng)現(xiàn)象的形成機(jī)理，并與宏觀流體力學(xué)理論進(jìn)行了關(guān)聯(lián)。
　　 為了驗(yàn)證分子動(dòng)力學(xué)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(dòng)條件，模擬了宏量條件下甲烷的PVT關(guān)系，模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)測(cè)量值或文獻(xiàn)模擬值都能較好地吻合，說明本工作的模擬方法和設(shè)置基本正確。隨后，對(duì)微孔無阻礙流進(jìn)行了非平衡模擬，獲得了符合宏觀水動(dòng)力學(xué)的模擬結(jié)果，驗(yàn)證了模擬程序與模型在非平衡流動(dòng)模擬中的可行性。
　　 在上述研究的基礎(chǔ)

4、上，通過設(shè)定阻礙物模型，模擬計(jì)算了受限于窄縫孔中甲烷流體在160K溫度、不同力場(chǎng)作用以及不同阻礙物條件下的阻礙流流場(chǎng)細(xì)節(jié)。模擬結(jié)果發(fā)現(xiàn)在高速條件下阻礙流會(huì)在流經(jīng)阻礙物時(shí)形成高密區(qū)和低密區(qū)，同時(shí)引發(fā)相應(yīng)的壓力變化。流速對(duì)低密區(qū)形成有重要影響；阻礙物前端形態(tài)會(huì)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(duì)兩相界面表面張力影響不大；增加阻礙物長(zhǎng)度或外力場(chǎng)強(qiáng)度會(huì)增大兩相間表面張力。同時(shí)流動(dòng)中觀察到

5、的擺動(dòng)波現(xiàn)象符合Rayleigh—Taylor理論，表明該模型可以作為數(shù)值模擬的補(bǔ)充，研究宏觀現(xiàn)象的微觀機(jī)理。
　　 為了將流體模型應(yīng)用到更有實(shí)際意義的超空泡流動(dòng)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(jié)合，模擬系統(tǒng)由硅酸鹽狹縫孔擴(kuò)展到開放體系，壁面限制作用被消除，外加力場(chǎng)改為恒流速流動(dòng)，使得流體更為貼近真實(shí)流動(dòng)狀態(tài)。通過引入局部空化數(shù)σι概念，模擬體系被劃分為多個(gè)獨(dú)立方格，以觀察超空泡的形成

6、過程以及不同因素對(duì)超空泡現(xiàn)象的影響。模擬結(jié)果表明，微觀條件下，空泡流的傳統(tǒng)判據(jù)空化數(shù)σ＜0.1仍然成立。產(chǎn)生低局部空化數(shù)的σι區(qū)域與實(shí)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(dāng)?shù)挺姚蓞^(qū)域在運(yùn)動(dòng)速度方向上的尺度達(dá)到2流體分子直徑時(shí)，可以在其后方形成穩(wěn)定的超空泡；水下物體運(yùn)動(dòng)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(chǔ)上，進(jìn)行了水分

7、子的超空泡模擬，試圖進(jìn)一步挖掘該模型的實(shí)用價(jià)值。應(yīng)用SPC/E水分子模型，模擬并研究了不同空化器設(shè)置和不同運(yùn)動(dòng)速度下，超空泡流動(dòng)的密度分布、局部空化數(shù)分布、空泡含氣百分比和表面摩擦系數(shù)，并于數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比。統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，平頭空化器在相同流速條件下較為容易產(chǎn)生優(yōu)良超空泡，空泡內(nèi)含氣百分比較高，能進(jìn)一步降低壁面摩擦力?？栈魍庑螌?duì)減阻效應(yīng)有很大影響；超空泡現(xiàn)象可以降低航行體50％—90％的表面摩擦力。同時(shí)通過與數(shù)值模擬結(jié)果的對(duì)比，驗(yàn)