纳米尺度下莱顿佛罗斯特现象的分子动力学模拟

DepartmentofModernMechanicsUSTC纳米尺度下莱顿佛罗斯特现象的分子动力学模拟DepartmentofModernMechanicsUSTC2背景简介与研究现状研究内容研究方法与研究结果结论与展望DepartmentofModernMechanicsUSTC背景简介3莱顿佛罗斯特（Leidenfrost）现象是1756年由莱顿佛罗斯特发现的一个有趣的现象：烧的通红的铁勺上滴上一滴水珠，水珠竟然悬浮起来并持续30秒。莱顿佛罗斯特现象普遍存在于自然界和工程应用中。啤酒倒入热锅液滴在炙热表面DepartmentofModernMechanicsUSTC背景简介4莱顿佛罗斯特热机ITER第一壁换热技术莱顿佛罗斯特现象在工程中的应用DepartmentofModernMechanicsUSTC研究现状5Langmuir29(31):9798-9806.Kruse,Andersonetal.(2013)实验研究发现微纳米结构使莱顿佛罗斯特现象液滴存在时间减少33%Nature489(7415):274-277.Vakarelski,I.U.,etal.(2012).实验研究了疏水界面和超疏水界面的莱顿佛罗斯特现象。DepartmentofModernMechanicsUSTC研究现状6PhysicalReviewE87(4).XuandQian(2013)采用数值模拟研究了二维的莱顿佛罗斯特现象，再现了实验现象，并且模拟出在R-T不稳定性作用下大液滴分裂成小液滴的现象。PhysicalReviewE86(2).RoellerandHerminghaus(2012)通过分子动力学模拟了莱顿佛罗斯特现象，并且指出在微观尺度下R-T不稳定性也是其主要影响因素。DepartmentofModernMechanicsUSTC研究内容研究现状总结大量的实验研究和宏观的数值研究。微观机理研究较少，特别是对于纳米化结构对莱顿佛罗斯特现象的影响还未见报道。研究内容比较纳米化结构表面与光滑表面莱顿佛罗斯特现象的差异。比较相同表面积，不同尺寸的纳米化结构表面莱顿佛罗斯特现象的差异分析纳米化结构表面对莱顿佛罗斯特特征温度的影响。7DepartmentofModernMechanicsUSTC研究方法分子动力学简介8经典MD：其中U代表粒子间的势函数：•通过势函数描述原子间的相互作用。•通过牛顿第二定律更新每个原子的速度和位置随时间演化。•通过统计方法获得需要的宏观状态量（压力，温度，密度等）。DepartmentofModernMechanicsUSTC研究方法计算代码：LAMMPS势函数：水分子:TIP4P/long铜原子：eamCu-O，Cu-H：lj/cut加热方式：控制图中红色层的原子按设定温度振动，白色层固定，红色和紫色之间通过键进行相互作用。紫色层作为加热层对水分子以及纳米结构加热。9DepartmentofModernMechanicsUSTC研究方法计算模型10四种结构分别是光滑表面（smooth），以及三种尺寸的纳米化结构表面（rect_2r,rect_4r,rect_8r)。柱状的纳米结构width/height=29nm36nm54nm计算模型如右图所示：在垂直纸面方向厚度为2nm。模拟区域的包含了约16000水分子和21000的铜原子。在竖直上边界是反射边界条件，下边界是固定边界条件。其余四个方向是周期性边界条件。DepartmentofModernMechanicsUSTC研究结果11不同加热温度，光滑表面和Rect_2r在400ps的差异。模拟结果对比2K*27K52K77K102K127K152K177K2K27K52K77K102K127K152K177K*温度表示加热区域过热度，即加热温度-373.15K。DepartmentofModernMechanicsUSTC研究结果模拟结果对比12不同加热温度，Rect_4r和Rect_8r在400ps的差异。2K27K52K77K102K127K152K177K2K27K52K77K102K127K152K177KDepartmentofModernMechanicsUSTC研究结果13加热温度为450K，400ps时刻不同结构表面的模拟结果模拟结果对比DepartmentofModernMechanicsUSTC研究结果14莱顿佛罗斯特点及热流密度400ps内的平均输入热流密度450K出现莱顿佛罗斯特现象的时间纳米结构使莱顿佛罗斯特现象出现最大有20%的延迟。Rect_2rRect_4rRect_8rSmoothDepartmentofModernMechanicsUSTC研究结果15流场分布对比两种结构在过热度为77K的时候，典型的流场分布。从图中可见，由于纳米结构的存在，漩涡的分布和尺寸都有较大的差异。通过涡量分布，可知纳米结构诱导产生了更加强烈的漩涡。DepartmentofModernMechanicsUSTC结论与展望通过以上模拟，主要有以下结论：纳米化结构可以显著提高莱顿佛罗斯特现象的发生温度。莱顿佛罗斯特特征温度的提高有利于强化换热。纳米化结构诱导的更加剧烈的微尺度涡是莱顿佛罗斯特特征温度提高的原因之一。展望扩大计算区域，做更大的纳米结构进行分析。16