微尺度液-汽相变传热的分子动力学模拟

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随着电子器件向高频、高速、密集化和小型化的方向发展,其散热问题得到了广泛关注。由于微尺度液膜的相变过程伴随着大量热量的吸收或释放,因此其在解决电子器件的散热问题上具有巨大的应用前景。微热管是以微尺度通道内液体相变为工作原理的传热器件,具有很高的传热效率,因此对微热管内工质的相变传热特性研究具有重要意义。由于对微热管内液体相变传热起主要作用的液膜厚度在纳米级,而分子动力学方法(MD)能够得到原子级别的结构特征,尤其适合纳米尺度的研究,因此本文采用分子动力学方法展开研究,使用的计算软件是LAMMPS。首先,本文采用三种常用水模型(SPC、SPC/E、TIP4P)对微尺度水液膜的密度及热导率值进行计算,并与实验数据和文献模拟值对比,选取出了最符合实际情况的水模型—TIP4P。并采用该模型对水的基本性质及相变现象进行了模拟,得出的结论与文献模拟结论一致,进一步验证了模拟方法和选取模型的准确性。其次,研究了微尺度下系统温度和液膜厚度对液体相变蒸发率的影响。模拟了液膜厚度为2 nm时,温度(375 K-425 K)对相变蒸发率的影响;并模拟了温度400 K时,液膜厚度(2 nm、3 nm、4nm)对相变蒸发率的影响。结果表明:1)蒸发率随时间呈指数递减;2)相同厚度下,蒸发率随着温度的升高而增大;3)同温度下,蒸发率随着液膜厚度的增加而增加。最后,对微尺度通道内氩液膜的相变传热特性进行了研究。模拟了等宽通道情况下,通道高度(23nm、32 nm、42 nm、52 n m)和液膜厚度(3nm、4 nm、5 nm)对相变传热性能的影响。结果表明:液膜在微尺度通道内具有更好的传热性能;热流密度随通道高度和液膜厚度的增加而增加;初始时刻的蒸发率与通道高度和液膜厚度成反比。以上研究结果可为微热管及其它以内部液体相变传热为工作原理的散热器件设计提供参考,并为其优化提供依据。
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