清华大学优秀博士学位论文丛书-纳米空化核及其空化的理论与模拟研究

《纳米空化核及其空化的理论与模拟研究》针 对纳米尺度的空化初生、气泡稳定机制及气泡动力 学的物理力学问题，采用分子动力学模拟与理论模 型分析相结合的手段开展研究工作。 首先，针对含纳米颗粒液体的空化初生及其空 化阈值问题，提出了等效空穴简化假设，改进了经 典成核理论，揭示了纳米颗粒等效尺寸及液体物性 对空化初生的影响机制。其次，针对悬浮纳米气泡 的稳定性机制问题，开展了全原子模拟和粗粒化模 拟，揭示了不同尺寸气泡的物性，分析了纳米气泡 平衡机制，提出了纳米气泡稳定性判据。最后，针 对磷脂单层纳米气泡的稳态空化问题，开展了粗粒 化模拟，完善了气泡动力学模型。 本书读者对象为对纳米尺度空化现象感兴趣的 科研人员、工程师及研究生。

高瞻，工学博士，师从清华大学航天航空学院王兵教授。2017年获清华大学工学学士学位，2023年获清华大学工学博士学位。

第3章含纳米颗粒液体空化初生理论及分子动力学 模拟 第3章含纳米颗粒液体空化初生 理论及分子动力学模拟 本章将结合理论模型分析和分子动力学模拟，对基 于纳米固体颗粒的空化初生开展研究。经典成核理论被 广泛用于分析均质空化［55，173］，其也被扩展至异 质空化的情形，如光滑固体壁面上发生的空化［53］。 本章在经典成核理论的基础上进一步发展了基于纳米固 体颗粒空化初生的理论模型，然后开展分子动力学模拟 对其进行验证。分子动力学模拟已被成功用于模拟均质 空化［174175］和异质空化［17，176］，其可以观 测到空化初生的微观过程，从而辅助理论分析并验证理 论模型。参考相关的模拟工作［17，175176］，本章 采用分子动力学方法模拟了水中基于纳米固体颗粒的空 化初生。通过理论分析与模拟验证，分析基于纳米固体 颗粒空化初生的物理机制，揭示纳米固体颗粒等效尺寸 及液体温度对空化阈值的定量影响。 3.1含纳米固体颗粒液体的空化初生理论模型 3.1.1物理模型 在构建基于纳米固体颗粒空化初生的物理模型之前 ，有必要先对研究对象的特征进行简要分析。首先，纳 米固体颗粒的表面形状通常是不规则的，其在液体中的 尺寸分布也较为分散，这些因素都会影响其空化促进效 果； 其次，纳米固体颗粒的表面亲疏水性通常并不一 致，且疏水颗粒有着更强的空化促进效果［17，46，59 ］； 最后，纳米固体颗粒复杂的形貌可能会导致其表 面存有类似Cassie浸润状态［177］的气态空穴［178］ ，此时需要将固体颗粒及表面空穴的空化促进作用整体 对待。由于纳米固体颗粒存在上述复杂特性，有必要在 物理模型中对其做适当的简化假设。需要指出的是，在 液体中溶解气体过饱和的情况下，悬浮颗粒表面也可能 存有内部高压高密度［65］的纳米气泡［6470］，此 类情形不在本章考虑范围内(纯化水经过了除气处理)。 为了简化物理模型，可以从纳米固体颗粒促进空化 初生的效果出发，用具有等效尺寸(半径R0)的蒸气空穴 将其替代。随着纳米固体颗粒表面形貌、表面亲疏水性 ，乃至颗粒尺寸的变化，等效空穴的尺寸(不必完全等 同于颗粒尺寸)可以做出适应性的改变，以体现纳米固 体颗粒的空化促进效果。本章后续将给出这一等效简化 的合理性验证。 在前述等效空穴简化假设的基础上，物理模型进一 步聚焦于只含一个等效空穴的立方体液体控制体(体积 Vl)，如图3.1所示，如此便简化了研究对象和理论推导 过程。此外，模型假设液体控制体远离容器壁面。在所 构建的物理模型中，位于立方体液体控制体中心的球形 等效空穴即构成了空化初生唯一的“薄弱点”。 图3.1中心含一球形等效空穴的立方体液体控制体 研究对象 当液体压强降低至空化阈值时，分子热运动将足以

第1章 绪论 1.1 研究背景及意义 1.2 研究现状 1.2.1 含纳米颗粒液体的空化初生及其空化阈值 1.2.2 体悬浮纳米气泡特性及其稳定性机制 1.2.3 磷脂单分子层纳米气泡稳态空化的气泡动力学 1.2.4 小结 1.3 本书主要内容与章节安排 第2章 分子动力学方法及经典空化理论 2.1 分子动力学原理与数值模型 2.1.1 控制方程及求解方法 2.1.2 边界条件 2.1.3 系综及控温控压方法 2.1.4 分子力场 2.2 经典空化理论与气泡动力学模型 2.2.1 经典成核理论 2.2.2 RP方程 2.3 本章小结 第3章 含纳米颗粒液体空化初生理论及分子动力学模拟 3.1 含纳米固体颗粒液体的空化初生理论模型 3.1.1 物理模型 3.1.2 数学模型 3.2 含纳米固体颗粒液体的空化初生分子动力学模拟 3.2.1 模拟方法及数值处理 3.2.2 空化初生与空化阈值分析 3.2.3 模拟方法验证分析 3.2.4 纳米固体颗粒参数对空化阈值的影响规律 3.3 本章小结 第4章 体悬浮纳米气泡的特性及其稳定性机制 4.1 稳定悬浮纳米气泡的分子动力学模拟 4.1.1 模拟方法及数值处理 4.1.2 模拟方法验证分析 4.1.3 悬浮纳米气泡演变过程分析 4.1.4 悬浮纳米气泡特性分析 4.2 体悬浮纳米气泡平衡和稳定性机制分析 4.2.1 纳米气泡平衡机制 4.2.2 纳米气泡稳定性机制 4.3 本章小结 第5章 磷脂单分子层纳米气泡稳态空化的气泡动力学 5.1 磷脂单分子层纳米气泡稳态空化的分子动力学模拟 5.1.1 模拟方法及数值处理 5.1.2 模拟方法验证分析 5.1.3 磷脂单分子层纳米气泡特性分析 5.1.4 磷脂单分子层纳米气泡稳态空化分析 5.2 磷脂单分子层纳米气泡稳态空化的气泡动力学 5.2.1 气泡动力学模型 5.2.2 超声激励下气泡的小幅振动行为 5.2.3 超声激励下气泡的大幅振动行为 5.3 本章小结 第6章 总结与展望