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研究生:王耀塵
論文名稱:利用分子動力學評估液體的熱力學性質
論文名稱(外文):Evaluation of Thermodynamic Properties of Liquid by Molecular Dynamics Method
指導教授:許文震許文震引用關係
指導教授(外文):W. J. Sheu
學位類別:碩士
校院名稱:國立清華大學
系所名稱:動力機械工程學系
學門:工程學門
學類:機械工程學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2004
畢業學年度:92
語文別:中文
論文頁數:64
中文關鍵詞:分子動力學奈米液體熱力學性質
外文關鍵詞:Molecular DynamicsThermodynamic Properties
相關次數:
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在許多奈米科學的理論中,已經發現到許多物質在微小的尺寸下,所呈現出的各種物理及材料特性將與一般傳統巨觀的認知有所不同。例如,物質在奈米尺寸下,電子的傳輸特性及平均自由路徑將與巨觀時有所不同並產生量子尺度效應及電子相干效應。因此,為了了解在微觀的尺寸下,流體相關的各種熱力學性質及傳輸性質是否可能與巨觀比較而有所改變做一些探討。
本研究首先以分子動力學理論結合統計熱力學來探討液態氬在NVE系統下模擬得到的各種熱力學性質及傳輸性質,並將其結果與實驗所獲得的數據做比較。最後並在液態氬中加入白金粒子,探討其熱傳導係數及黏滯係數隨白金濃度的變化情形。為了簡化起見,我們僅在定性上討論奈米流體的熱傳趨勢。結果顯示,若白金分子在液態氬分子中比例佔很少時,奈米液體的熱傳特性將遠優於由於黏滯係數增加所造成的負面影響。反之,若白金分子在液態氬分子中所佔有的比例愈大時,則奈米液體黏滯係數增加所造成的負面影響將大於熱傳導係數增加所帶來的優點。我們在比較熱傳導係數與黏滯係數關係時也發現到在稀薄奈米流體當中,其熱傳導係數增加率最高約為黏滯係數的3倍。這些結果和目前以水為主的奈米流體實驗中,熱傳導係數與黏滯係數的變化定性上是雷同的。
The thermodynamic properties such as viscosity and thermal conductivity, that depend on the pressure and temperature of system, are important in the analysis of heat transfer. To predict these properties becomes possible by the method of molecular dynamics because the fluid is basically composed of a collective of molecules from a microscopic point of view.
The understanding and treatment at a molecular level have been recognized to be more important in heat and mass transfer research recently. A new field, “Molecular Dynamic Engineering,” has a variety of applications in the future development of microscopic heat transfer theory and in handling the heat transfer situations related to nano- technology. The traditional concepts of flow field and heat transfer may not be applied in nanofluids. Therefore, to analyze the basic properties of nanofluids such as the viscosity and thermal conductivity is very important. The thermodynamic properties of the pure liquid argon and the nanofluid, composed of liquid argon and solid platinum, are calculated numerically by the method of molecular dynamics. The thermal conductivity and viscosity of the pure liquid argon and the nanofluid are obtained, respectively. Quantitatively, the data of pure liquid argon are in good agreement with the experimental results. In addition, the qualitative behaviors of common nanofluids can be satisfactorily described according the results in this work.
ABSTRACT I
摘 要 II
誌 謝 III
目 錄 IV
圖 表 目 錄 V
第一章 緒論 1
1-1 前言 1
1-2 文獻回顧 1
第二章 分子動力學基本理論 6
2-1 運動方程式 6
2-2 分子間的作用力與勢能函數 8
2-3 VELERT鄰近表列法 10
2-4 模擬 12
2-4-1 初始條件 12
2-4-2 Gear’s 預測修正法 13
2-4-3 邊界條件 16
2-4-4 最小映像法則 18
第三章 初步物理模型建構與結果討論 19
3-1 物理模型建構 19
3-2 參數設定 19
3-3 初步結果討論 20
3-3-1 基本熱力學性質 20
3-3-2 傳輸係數 21
3-3-3 奈米流體的基本測試 28
第四章 總結與未來展望 34
4-1 總結 34
4-2 未來展望 35
第五章 參考文獻 38



圖 表 目 錄
圖2-1分子動力學模擬流程圖 41
圖2-2 VELERT表列示意圖1 41
圖2-2-1 VELERT表列示意圖2 42
圖2-3 面心立方晶格結構圖 43
圖2-4 週期型邊界條件示意圖 43
圖2-5 一維週期型邊界條件(情形1)之示意圖 44
圖2-6 一維週期型邊界條件(情形2)之示意圖 44
圖2-7 最小映像法測(情形1)之示意圖 44
圖2-8 最小映像法測(情形2)之示意圖 44
圖2-9 最小映像法測(情形3)之示意圖 45
圖3-1 FCC模型結構示意圖 45
圖3-2 系統溫度-時間示意圖 46
圖3-3 系統位能-時間示意圖 46
圖3-4 系統壓力-時間示意圖 47
圖3-5 系統總能量-時間示意圖 47
圖3-6 累加平均示意圖 48
圖3-7 FCC最初模型構造 48
圖3-8 利用週期性邊界條件模擬後分子位置 49
圖3-9 模擬後分子實際位置1 49
圖3-10 模擬後分子實際位置2 50
圖3-11 不同時間間隔對熱傳導係數分佈圖(EINSTEIN RELATION) 50
圖3-12 熱傳導係數分佈圖1(EINSTEIN RELATION)-108顆粒子 51
圖3-13 熱傳導係數分佈圖2(EINSTEIN RELATION)-256顆粒子 51
圖3-14 熱傳導係數分佈圖3(EINSTEIN RELATION)-500顆粒子 52
圖3-15 不同時間間隔相對黏滯係數分佈圖(EINSTEIN RELATION) 52
圖3-16 黏滯係數分佈圖1(EINSTEIN RELATION)-108顆粒子 53
圖3-17 黏滯係數分佈圖2(EINSTEIN RELATION)-256顆粒子 53
圖3-18 黏滯係數分佈圖3(EINSTEIN RELATION)-500顆粒子 54
圖3-19 熱傳導係數分佈圖1(GREEN-KUBO RELATION)-108顆粒子 54
圖3-20 熱傳導係數分佈圖2(GREEN-KUBO RELATION)-256顆粒子 55
圖3-21 熱傳導係數分佈圖3(GREEN-KUBO RELATION)-500顆粒子 55
圖3-22 不同時間間隔對熱傳導係數分佈圖(GREEN-KUBO RELATION) 56
圖3-23 黏滯係數分佈圖1(GREEN-KUBO RELATION)-108顆粒子 56
圖3-24 黏滯係數分佈圖2(GREEN-KUBO RELATION)-256顆粒子 57
圖3-25 黏滯係數分佈圖3(GREEN-KUBO RELATION)-500顆粒子 57
圖3-26 不同時間間隔相對黏滯係數分佈圖(GREEN-KUBO RELATION) 58
圖3-27 熱傳導係數隨白金比例之分佈變化圖 58
圖3-28 黏滯係數隨白金比例之分佈變化圖 59
圖3-29 奈米流體熱傳導係數與黏滯係數相關變化圖 59
圖4-1 TIP4P水分子構造圖[15] 60
表2-1 無 因 次 化 物 理 性 質 表 60
表2-2 GEAR’S 預測修正法之修正參數表 61
表3-1 EINSTEIN與GREEN-KUBO不同分子數模擬結果與實驗量測對照表 61
表3-2 EINSTEIN模擬結果與不同實驗模擬量測對照表[4] 61
表3-3 GREEN-KUBO模擬結果與不同實驗模擬量測對照表[4] 62
表3-4 液態氬內不同白金顆粒之熱傳導係數 62
表3-5 液態氬內不同白金顆粒之黏滯係數(模擬粒子數=108) 62
表3-6液態氬內不同白金顆粒之黏滯係數(模擬粒子數=256) 63
表3-7液態氬內不同白金顆粒之黏滯係數(模擬粒子數=500) 63
表4-1水的位能模型相關參數[2] 63
表4-2 水分子基本物理量[26] 64
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