不同水分子模型凝结系数的分子动力学模拟对比研究

采用平衡分子动力学(EMD)方法模拟研究了水的凝结过程,用“特征时间法”统计得到4个不同温度下5种不同水分子模型(SPC、SPCE、TIP3P、TIP4P和TIP5P)的凝结系数.模拟结果表明,不同模型得到的凝结系数都随温度的升高而减小.在相同温度下,凝结系数的统计结果表明:当温度高于400 K时,凝结系数按SPCE、TIP4P、TIP3P、SPC、TIP5P模型呈递减趋势,并且TIP4P和TIP3P模型的凝结系数相近;当温度低于400 K时,5种模型凝结系数的统计结果相差不大.发现TIP5P模型在温度约高于520 K时得不到明显的汽液两相区,无法统计高温下水的凝结系数.

纳米尺度圆柱绕流现象的分子动力学模拟研究

本文采用分子动力学模拟方法,利用Lennard-Jones(L-J)势能模型,模拟了Re为28时Ar流体流过Pt纳米圆柱的绕流现象．采用小步长时均值作为涡的瞬时值的方法,在纳米尺度、纳秒量级下得到了涡的周期性产生、组合、发展和脱落现象;在大步长时均条件下,得到了稳定的对称涡,表现出了绕流现象在不同时间范围内的不同特征．绕流过程还体现了流体的密度变化,圆柱上游密度大于下游密度、对称的两侧离轴线越远密度越大。结果表明,分子动力学模拟方法可以有效地细节刻画圆柱绕流现象。

纳米尺度圆柱绕流尾迹区流动形式模拟研究

采用非平衡分子动力学模拟方法,对微尺度低Re数下的圆柱绕流问题进行了研究,模拟结果表明:当Re<12时,圆柱下游形成对称、无分离的定常流;当Re>20时,圆柱下游形成周期性交替出现的对称涡;当12<Re<20时,圆柱下游开始有涡形成,但并不是稳定的涡对,而是处于上述两个区域的过渡阶段.上述前两区域的流动特性与宏观尺度下的特性相同,但得到的Re数范围不同.当来流速度超过当地音速后,没有涡的产生,而是在下游紧靠近壁面的区域内形成了空穴,且下游伴随有物理量的突变.上述微观尺度与宏观尺度的不同流动特性,表现出了流动状态的变化具有明显的尺度特征.

纳米尺度绕流现象中流体分子运动行为研究

采用分子动力学模拟方法,研究纳米尺度低Re数(Re=20)条件下,氩流体流过铂(FCC(100))金属圆柱的绕流现象.从流线和速度矢量分布两方面刻画涡的周期性产生、发展和脱落过程.结果显示,一个涡脱落周期大约为0.3 ns,斯特劳哈尔数St约为0.2;时均对称涡的长度是圆柱直径的1.4倍,涡径与圆柱直径相当.从速度场和密度场的角度刻画回流区,并进一步研究典型区域(圆柱中心线附近区域及下游邻近区域)的速度分布特性.

纳米尺度并列双圆柱绕流的分子动力学模拟研究

采用分子动力学模拟方法,对纳米尺度下的等大并列双圆柱绕流问题进行了数值研究.模拟结果表明:在低雷诺数(Re=22)、纳米尺度下,同样存在由于L*/D*(L*为两圆柱轴线之间的距离,D*为圆柱的直径)值的变化,导致流场内呈现出单涡脱落、双稳态以及双涡对称同步脱落的不同流动状态,这与宏观尺度下的研究结论相一致.然而,各种流动状态所对应的L*/D*范围却与宏观尺度下的数值和实验研究结果不一致.单涡脱落区域为L*/D*<1.1,双稳态现象出现的区域为1.1<L*/D*<1.8,且由于间隙流的影响,当L*/D*=1.2时,就已出现了典型的双稳态现象,双涡对称同步脱落区域为L*/D*>1.8.微观尺度下的3种不同特性的流动状态均比宏观研究结果提前,表明流动状态的变化具有明显的尺度特征.

膜状冷凝初期过程的分子动力学模拟研究

采用分子动力学模拟方法,对氩蒸气在铂金属表面发生的膜状冷凝过程进行了研究.为保证冷凝过程在相对较长时间范围内持续稳定进行,提出了一种改进的气态分子补充方法.通过逐时对系统内局部温度及密度进行统计,获得了不同时刻的参数分布.结果显示:在模拟时间范围内,液膜厚度近似线性增加,壁面附近液相分子受固壁势能作用而呈现出密度振荡的"液体层状化"分布;液膜内产生温度梯度,固液界面处温度跳跃现象明显.考察了气体温度以及壁面润湿性变化产生的影响,结果表明:随着气体温度的升高,温度梯度以及温度跳跃均增大;液相密度略有下降,液体内层状区域的密度振荡范围略有减小,气液界面厚度增加;质量流率以及液膜厚度增长速率也都增大,反映出更大的气固温差加快了冷凝过程的进行,这一点与宏观规律一致.随着润湿性增强,液膜厚度增长加快,液体层状区内的密度振荡范围增加,液膜内温度梯度增大,温度跳跃大幅减小,冷凝过程得到显著强化.显然,近壁面区内的热传导对整个冷凝过程进行的速度具有重要影响.

温度对Lennard-Jones流体凝结过程影响的研究

采用平衡态分子动力学模拟方法,对由氩分子构成的气液界面系统进行了较大温度跨度条件下的模拟和研究.通过统计的方法得到了温度变化对系统的密度、气液界面厚度、气态分子碰撞流率、Lennard-Jones(L-J)势能以及L-J势能力分布的影响规律.结果表明:随着温度的升高,气液界面厚度和气态分子碰撞流率增加,密度和L-J势能分布趋于均匀化,L-J势能力分布随着势阱深度的减小而趋于0;所有物理量在接近临界温度时变化加快.模拟得到不同温度条件下的凝结系数与文献相互吻合.同时,对于凝结系数随温度的升高而减小,并在温度接近临界温度时由于气液界面的消失而失去意义这一规律,通过气液界面厚度与气态分子碰撞流率随温度的增加所产生的综合效果进行了合理的解释.

水分子模型差异对汽液界面参数分布的影响

本文采用平衡分子动力学模拟方法,基于不同水分子模型(SPC、SPCE、TIP3P、TIP4P和TIP5P模型)进行了不同温度条件(330～550 K)下的模拟,得到了汽液平衡系统。统计得到的密度分布表明:TIP5P模型统计结果与试验值偏差较大,SPCE模型统计结果与试验值偏差较小,因而更适合高温下的汽液界面性质的模拟。分析不同模型对应的Lennard-Jones(L-J)势能及静电势能的变化规律表明:在同一温度下L-J势垒高度和静电势阱深度都按SPCE、SPC、TIP4P、TIP3P和TIP5P模型顺序呈递减趋势。不同水分子模型在空间结构和作用点个数方面存在的差异是导致上述规律的直接原因。复杂的分子结构和相互作用使得液相区内分子间斥力作用和汽相区内分子间引力作用表现更为显著。

水的汽液界面系统中势能与力的EMD模拟研究

分子间势能作用是研究分子界面行为的一个重点所在．采用平衡态分子动力学模拟(equilibrium molecular dynamics simulation,EMDS)方法,对由水分子构成的汽液界面系统进行了模拟和研究．分析统计结果符合势能分布在液相区和气相区内存在明显落差的已知结论,并发现不同种力对分子穿越两相区时所起的作用不同,Lennard-Jones(简写L-J)力阻碍分子凝结,而静电力则推动分子凝结并且在合力中起主要作用．同时,着重对发生相变行为的典型分子进行了追踪和分析,从能量的角度显示了凝结(蒸发)相变过程对应着一个气态(液态)分子由高(低)势能位落入势阱(翻越势垒)的能量降落(抬升)过程．

固体表面不同微观形貌对冷凝过程的影响

固壁表面发生的冷凝过程广泛存在于工程领域中,具有重要的研究意义.本文采用分子动力学模拟方法,对氩气在光滑/粗糙铂金属壁面的冷凝过程进行了研究,观察了近壁面区内液体的层状和网状密度分布特征及固液界面处的温度跳跃现象,前者是由固体表面作用势所致,后者则是分子热运动在微尺度固液界面区域所呈现的特殊现象.通过对不同工况模拟结果及系统内传热传质特性的分析发现,随着壁面凸起高度的增加,流固接触面积增大,接触热阻减小,换热效果得到了强化;凝结过程换热量随凸起高度的增加呈增长趋势;热量传递过程中,相变潜热量始终占总传热量的60%左右.

外力场对冷凝过程影响的分子动力学模拟研究

固壁表面发生的冷凝过程在工程应用中广泛存在,本文采用非平衡分子动力学模拟方法对高温蒸气在低温壁面上发生的冷凝过程进行了模拟研究。着重对该过程中的密度和局部温度等热力学参数分布进行了研究.同时,考察了两种气固温差条件下,壁面内、外法线方向上,不同强度的外力场对冷凝过程的影响,得到了结论:外力场是壁面内法线方向时促进冷凝进行,反之则阻碍冷凝进行,力场强度越大则影响效果越显著;当外力场一定时,气固温差越小,则外力场的相对影响程度越大.

直接甲醇燃料电池阴极水的传输特性

利用COMSOL Multiphysics软件对直接甲醇燃料电池(DMFC)阴极模型进行计算,获得压力、速度、水、氧气和液态饱和度分布情况,研究扩散层在不同物理参数(如厚度、孔隙率、孔径大小和亲憎水性)下电池阴极水和氧气的传输情况,进一步建立扩散层孔隙率梯度的数学模型,研究扩散层孔隙率梯度以及支撑层参数对直接甲醇燃料电池性能和物质传输的影响。结果表明,扩散层具有大孔隙率、薄扩散层时均有利于氧气传质,可以使电池性能提高;扩散层孔隙率梯度的存在可以减轻氧气传输阻力,提高电池性能。

新工科视角下“热工基础”课程教学改革探索

“新工科”建设对传统课程教学提出了全新发展要求,建立新的授课体系、改进传统单调的考核模式,至关重要。基于西安交通大学大机类专业“热工基础”课程案例存在的典型问题剖析,提出了“知识点差异化施教-多维度兴趣化促学-全过程多元化考核”教学改革思路,设计了教学改进方式,探索了具体改革措施,为新工科模式下“热工基础”“金课”的建设和发展提供了新思路。

多元考核模式在工科基础课程教学中的应用探索——以热工基础课程为例

如何更好地实现“新工科”人才的培养目标是工科基础课程教学改革的重点任务。本文以热工基础课程为例,针对课程教学与考核中存在的问题,提出并阐述了“大作业”“陈述答辩”和“上机实训”多元考核模式的教改思路,分析了考核方式转变对教学成效的影响以及存在的问题与不足,并对深入改进多元化考核方式提出了设想与建议,为探索复合型创新人才培养方式提供了一些思路。

二氧化碳还原技术助力构筑碳中和循环社会

温室效应与能源危机是21世纪人类社会面临的两大根本难题[1].随着全球人口的持续增长以及经济高速发展,煤、石油、天然气等不可再生的化石能源燃烧产生大量CO_(2),加剧了温室效应,导致全球变暖与极端天气等问题频发.2023年发布的《世界能源统计年鉴》数据显示,2022年全球对一次能源的需求相较2021年同比增长1.1%,因能源消耗产生的CO_(2)排放量超过393亿吨,达到历史新高点.

分布式能源系统中能量的高效存储

分布式能源是能源革命的重要载体和推进手段,也是未来能源体系中的重要组成部分。储能技术作为分布式能源系统的关键支撑技术之一,会对能源生产和消费方式带来革命性的变化,对我国的能源转型具有重要的战略意义。目前我国储能技术发展迅速,大型示范和商业化储能项目不断增加,但是各种储能技术在实际应用过程中还存在着种种缺陷和不足,能源的高效存储面临着诸多挑战。本文立足于储能技术的实际应用,分析了各储能技术尤其是储热技术的优缺点及产业化发展现状,探讨了储能技术未来可能的发展趋势和面临的挑战,分析了储热技术中存在的关键科学问题及研究现状,并针对储能技术与行业的发展给出了一些政策性建议。

直接甲醇燃料电池瞬态运行特性的数值模拟研究

本文利用直接甲醇燃料电池瞬态二维两相多组分质量传输模型,研究了电池电流密度阶跃变化时电池电压以及电池膜电极内组分传输的动态响应过程。研究发现当电流密度突然降低时,电池电压出现过脉冲现象,这是由阴阳极过电势不同的动态响应趋势和响应速度造成的。电压的长时间响应主要是因为膜电极内甲醇缓慢的传输过程引起的。

利用LBM-FVM-CA耦合方法模拟管表面上的颗粒沉积与脱离过程

发展了一个包含积灰形状演化、颗粒沉积和脱离机理的数值模型和计算方法,模拟了单排管表面的积灰过程.首先建立了流动的格子Boltzmann方法-有限容积方法(LBM-FVM)耦合的计算模型,给出了通过宏观参数构建多松弛LBM分布函数的重构算子;并结合元胞自动机模型、能量平衡模型以及力和力矩分析,模拟了颗粒的运动、沉积和碰撞过程;其次,针对模拟的时间步长相对于实际积灰时间较短的困难,提出了用于将模拟时间换算到实际时间的比例;然后,具体模拟和分析了不同直径颗粒在不同入口速度下的积灰过程.结果显示,积灰面积随时间呈指数增长并趋近于一个平衡值;在颗粒质量分数一定时,存在一个积灰速率较高的速度范围;颗粒脱离在迎风面和管子正后方较为严重,但在背风面侧面相对缓和;积灰层在整个背风面生长,在迎风面形成锥形,改变了流动并阻止了颗粒的进一步沉积.

膨体聚四氟乙烯膜的亲水改性及其在微生物燃料电池中的应用

膨体聚四氟乙烯(ePTFE)膜以聚四氟乙烯为原料膨化拉伸而成,具有耐酸碱、强度高、生物适应性强、抗污染性高等优点。本文对已商品化的ePTFE膜进行亲水处理,并对无膜以及使用Nafion 117质子交换膜,未处理的ePTFE膜,亲水处理的ePTFE膜时的微生物燃料电池的性能进行了比较。实验发现ePTFE膜经过亲水处理后其与水的接触角从122°变化为64°;使用亲水性ePTFE膜的微生物燃料电池获得的最大功率密度为1303 mW/m^2,高于无膜(1170mW/m^2),使用Nafion 117(840 mW/m^2)和未处理ePTFE膜(678 mW/m^2)时的功率密度。结果表明ePTFE膜可以作为微生物燃料电池的分隔物,并且通过改善膜表面与水的接触角可以在增加质子传递效率的同时减小氧气的渗透,进而提高微生物燃料电池的电池性能。

自呼吸式碱性直接葡萄糖燃料电池研究

本文设计了基于无Pt电极的自呼吸式阴离子交换膜(AEM)直接葡萄糖燃料电池(DGFC),并对其性能进行了实验研究。结果表明,在室温下,自呼吸式AEM-DGFC的最大功率密度达到20.8 mW·cm^(-2),最大电流密度为156mA·cm^(-2),优于以葡萄糖为反应物的传统的微生物燃料电池和酸性直接葡萄糖燃料电池(PEM-DGFC)。实验还探究了葡萄糖浓度以及KOH浓度对于自呼吸式直接葡萄糖燃料电池性能的影响,葡萄糖浓度的升高一方面会降低传质极化,另一方面会阻碍OH^-的传输,增大电池的内阻。0.7 M浓度的葡萄糖使燃料电池性能达到最优最优。KOH浓度从2M升高到4M时,使得阳极的GOR速率加快,电池性能进一步提升。