受限空间内超临界流体相分布的尺寸效应
Abstract
许多研究表明, 超临界流体具有不均匀的分子结构. 本文采用分子动力学方法, 模拟了受限空间内类液(Liquid-Like, LL)、类两相(Two-Phase-Like, TPL)和类气(Gas-Like, GL)区超临界流体(Supercritical Fluid, SF)结构特征和相分布规律, 分析通道尺寸和壁面润湿性对不同状态SF相分布的影响. 研究表明, 不同状态SF均在超疏水表面近壁区形成GL膜, 随着壁面润湿性的增强, 气膜逐渐消失, 原子逐渐在润湿性较强的壁面聚集; 润湿性较强的TPL流体的通道中部会形成明显的空隙及局部低密度的GL区, 近壁区会形成LL膜. 尺寸效应对近壁区原子密度振荡范围的影响可忽略不计, 但随着通道尺寸减小, LL相近壁区流体的密度则呈现出增大趋势, 该现象在GL相消失. 不同通道尺寸对应含气率随温度的变化趋势一致, 壁面润湿性对含气率的影响较小, 随着润湿性的减弱, 含气率均呈现出先增大后减小的变化规律, 且不同通道尺寸对应不同的转折点. 结合三维原子快照, 从能量角度对SF的相分布特征进行分析, 较大势能束缚原子运动, 易形成高密度的LL区, 而较低势能区原子易发生逃逸, 形成低密度的GL区. 本工作将有助于理解纳米通道内SF的结构及相分布规律, 为SF微尺度设备设计和应用提供一定的理论基础.
