凝縮における逆温度こう配現象の分子動力学法による検証

用分子动力学方法验证冷凝过程中的逆温度梯度现象

• 批准号: 08650267
• 负责人: 鶴田 隆治
• 金额: $ 1.41万
• 依托单位: Kyushu Institute of Technology
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
• 财政年份: 1996
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 1996 至 无数据
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-08650267/
• 关键词: 凝縮; 逆温度こう配; 気液界面; 分子動力学; モンテカルロ法; 凝縮係数; 蒸発係数; 速度分布

低温の凝縮面に近づくにつれて蒸気温度が高くなり,気液界面で大きな温度ジャンプを伴って液面温度に至るという"逆温度こう配現象"を,気液界面における分子境界条件の妥当性を調べることにより,実際の物理現象として正しいものであるかどうかの検証を行った。まず,分子動力学法を用いてアルゴン分子からなる気液界面を形成し,界面方向に入射する分子の凝縮確率と界面を離れる蒸発分子と反射分子の速度分布を計測した。これにより,凝縮確率は入射分子の界面鉛直方向の運動エネルギーの関数であり,平衡系の蒸発係数も分子の界面鉛直方向の運動エネルギーの関数となり,蒸発分子と反射分子の速度分布が,蒸発係数を重み関数としてMaxwell分布を修正することによって表現できることが示された。次に,得られた情報を気液界面における凝縮と反射,ならびに蒸発分子に関する分子境界条件として利用し,直接シミュレーションモンテカルロ法を用いた凝縮流れの解析を行った。逆温度こう配に関する従来の研究では,凝縮係数を全ての速度領域に対して1とした研究が中心であり,この場合に顕著な逆温度こう配となることが本研究でも観察されている。しかし,新しい境界条件を適用すると逆温度こう配とはならず,凝縮面に向かって緩やかに温度が低下することが確認された。また,この理由として,凝縮係数の速度依存性を考慮すると反射分子が界面近傍での速度分布の定速側に寄与するが,凝縮係数を1とした完全凝縮の場合には反射分子がないため定速の分子が減り,逆にエネルギーの高い高速の分子が多くなって逆温度こう配となることがわかった。実際の物質の凝縮係数は全ての速度領域において1であるとは考えにくいため,逆温度こう配現象は仮説に基づいた現象であるものと判定される。

检验气液界面分子边界条件的有效性，即蒸气温度随着接近低温冷凝面而升高并以较大温度到达液体表面温度的“逆温度梯度现象”我们验证了它作为实际物理现象是否正确。首先，利用分子动力学方法形成由氩分子组成的气液界面，并测量进入界面的分子的凝聚概率以及离开界面的蒸发分子和反射分子的速度分布。因此，凝结概率是界面垂直方向入射分子动能的函数，平衡系统的蒸发系数也是界面垂直方向分子动能的函数。蒸发分子和反射分子的速度分布由蒸发系数决定。结果表明，它可以通过将麦克斯韦分布修改为权重函数来表示。接下来，将获得的信息用作气液界面处凝结和反射以及蒸发分子的分子边界条件，并使用直接模拟蒙特卡罗方法对凝结流动进行分析。先前关于逆温度梯度的研究主要集中在所有速度区域的凝结系数都设置为1的研究，而本研究也观察到在这种情况下会出现显着的逆温度梯度。然而，当应用新的边界条件时，证实不存在逆温度梯度，并且温度朝冷凝表面逐渐降低。其原因是，当考虑凝聚系数的速度依赖性时，反射分子对界面附近速度分布的等速侧有贡献，但在凝聚系数为1的完全凝聚的情况下，没有研究发现，等速分子的数量减少，而高能、高速分子的数量增加，从而产生逆温度梯度。由于实际物质的凝聚系数不太可能在所有速度区域都为1，因此将逆温度梯度现象判断为假设现象。

项目成果

鶴田隆治: "気液界面の分子境界条件と非平衡物質伝達" 第34回日本伝熱シンポジウム講演論文集. 3. (1997)

Ryuji Tsuruta：“气液界面的分子边界条件和非平衡传质”第 34 届日本传热研讨会论文集 3。（1997 年）。

鶴田隆治: "凝縮における逆温度こう配現象の検証(分子動力学法による境界条件の適用)" 第74期日本機械学会通常総会講演論文集. 1. (1997)

Ryuji Tsuruta：“凝结中逆温度梯度现象的验证（使用分子动力学方法应用边界条件）”日本机械工程师学会第 74 届年会论文集 1。（1997 年）。

鶴田隆治: "Condensation Coefficient and Interphase Mass Transfer" Proc.of Int,Center for Heat and Mass Transf. (ICHMT) Symp.on Molecular and Mocroscale Heat Transfer in Materials Processing and Other Applications. 1. 243-254 (1996)

Ryuji Tsuruta：《材料加工和其他应用中的分子和宏观传热》国际传热中心 (ICHMT) 的“冷凝系数和相间传质”。