2模擬結(jié)果與討論

2.1溫度對密度分布的影響

在模擬分子數(shù)N=256和截?cái)喟霃絩c=0.9498 nm的條件下，當(dāng)溫度T=400、450、500、550和610 K時(shí)，模擬得到的密度分布如圖3所示。統(tǒng)計(jì)得到的汽相主體密度ρV、液相主體密度ρL及汽液界面厚度d如表2所示。由圖3及表2可見，汽相主體密度和汽液界面厚度隨溫度的提高而增加，而液相主體密度隨溫度的提高而減小。

液相主體密度與汽相主體密度之差(ρL－ρV)與溫度T的關(guān)系如圖4所示。可見，液、汽相主體密度之差隨溫度的升高而降低;從理論上講，在臨界點(diǎn)處，其差值應(yīng)該趨近于零，這與圖3所示的規(guī)律一致。液、汽相主體密度之差與溫度的關(guān)系可以擬合成式(14)的形式。

式中水臨界溫度Tc=647.3 K，利用表2數(shù)據(jù)對式(14)進(jìn)行擬合，得到參數(shù)ρ0=1545.8 kg/m3，指數(shù)因子x=0.5516。

2.2溫度對界面張力的影響

在模擬分子數(shù)N=256和截?cái)喟霃絩c=0.9498 nm的條件下，當(dāng)溫度T=400、450、500、550和610 K時(shí)，水汽液界面張力的模擬結(jié)果見表3。

圖5為局部界面張力的分布曲線(500 K)。由圖5可見，汽相主體的局部界面張力基本為零;從汽相主體向液相主體的過渡過程中，界面張力值逐漸增加，在汽液界面區(qū)達(dá)到峰值;在液相主體又在零值附近波動。水汽液界面張力模擬值隨溫度變化規(guī)律如圖6所示。

由圖6可以看出，隨著溫度的提高，界面張力降低，模擬值與實(shí)驗(yàn)值之間的誤差逐漸減小。界面張力與溫度的關(guān)系可以擬合得到方程(15)。

將表3的數(shù)據(jù)對式(15)進(jìn)行擬合，得到的參數(shù)γ0=254.3 mN·m－1，指數(shù)因子k=1.305。

2.3溫度對勢能分布的影響

在模擬分子數(shù)N=256和截?cái)喟霃絩c=0.9498 nm的條件下，當(dāng)溫度T=400、450、500、550和610 K時(shí)，汽相主體總勢能UV、液相主體總勢能UL及總勢能勢阱深度ΔU的模擬結(jié)果如表4所示。圖7為水分子的勢能分布曲線(500 K)，圖8為液相主體區(qū)域的勢能隨溫度的變化趨勢。

圖8液相主體區(qū)域的勢能隨溫度的變化趨勢

前已述及，水的勢能分為L－J勢能和靜電勢能。由圖7可以看出，L－J勢能均為正值，在液相區(qū)形成勢壘，勢壘高度ΔULJ為液相主體L－J勢能與汽相主體L－J勢能之差;靜電勢能均為負(fù)值，在液相區(qū)形成勢阱，勢阱深度ΔUe為汽相主體靜電勢能與液相主體靜電勢能之差;由于靜電勢能起主導(dǎo)作用，總勢能也為負(fù)值，同樣在液相區(qū)形成勢阱，分子之間主要為吸引作用。從圖8可以看出，汽相主體勢能作用不明顯，勢壘高度隨溫度升高而降低，液相主體勢能的勢阱深度隨體系溫度的升高而減小。

2.4模擬分子數(shù)對模擬結(jié)果的影響

在溫度500 K和截?cái)喟霃絩c=0.9498 nm的條件下，當(dāng)模擬分子數(shù)N=108、256、500和864時(shí)，模擬得到的密度分布見圖9。統(tǒng)計(jì)得到的汽相主體密度ρV、液相主體密度ρL及汽液界面厚度d見表5。

圖9水分子數(shù)對密度分布的影響

表5不同水分子數(shù)下界面性質(zhì)的模擬結(jié)果

由表5和圖9可見，隨著模擬分子數(shù)的增加，液相主體密度有所增加，液相主體區(qū)域?qū)挾燃哟螅航缑婧穸壬杂性龃螅嘀黧w密度有所波動。

2.5截?cái)喟霃綄δM結(jié)果的影響

在溫度為500 K和模擬分子數(shù)為864的條件下，當(dāng)截?cái)喟霃絩c=0.7915、0.9498、1.2660 nm時(shí)，模擬得到的密度分布如圖10所示。統(tǒng)計(jì)平均得到的汽相主體密度ρV、液相主體密度ρL及汽液界面厚度d如表6所示。從表6和圖10可以看出，隨著截?cái)喟霃降脑黾樱合嘀黧w密度增大，汽相主體密度減小，汽液界面厚度變化不大。

3結(jié)論

采用SPC模型，對水汽液界面特性的分子動力學(xué)模擬研究結(jié)果表明，隨著溫度的升高，汽相主體密度增加，汽液界面厚度增大，液相主體密度降低，界面張力逐漸減小，液相主體區(qū)域勢能的勢阱深度也逐漸降低。隨著模擬分子數(shù)的增加，液相主體密度增加，汽液界面厚度稍有增大。隨著截?cái)喟霃降脑黾樱合嘀黧w密度增加，汽液界面厚度變化不大。