醛酮醇类液态有机物微观传热机理的分子动力学模拟研究

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传热是化工生产领域最基本的问题之一,而热导率是表征物质导热性能的一个重要物性参数,为寻找合适的热交换介质提供了重要参考,被广泛应用于理论研究和工程设计中。具有高导热性能的有机物在生产中发挥着关键作用,其应用广泛,如太阳能收集、汽车控制单元和微电子器件等。其中醛类、酮类和醇类有机物是较为常见的三类有机物,并且是多种重要的化工产品和中间体,广泛用于工业原料、医药、日用品生产等。在实际应用中,液态有机混合物通常被用作传热介质。对醛类、酮类和醇类有机物及其混合物的传热过程和热导率的研究不仅具有实际意义,而且可以为其他有机物的传热研究提供参考。但是,目前仍未充分阐明液态有机物的导热机理。此外,通过实验方法中获取热导率还存在许多困难。在工程应用中大多采用经验法或半理论法计算热导率,有些情况下存在较大偏差。而通过计算模拟得到液态有机物热导率在理论和应用方面都较为都可靠。因此,本研究采用非平衡分子动力学(NEMD)方法,模拟了一系列醛类、酮类和醇类有机物及其三种二元液态有机混合物的热传导过程,探究了醛类、酮类和醇类有机物及其三种二元液态有机物混合物的微观传热过程,从分子层面上探索了液态有机物的微观传热机理,主要的研究工作如下:(1)通过NEMD模拟方法,模拟了一系列醛类、酮类和醇类有机物在四种温度下的热传导过程。通过模拟得到的三种有机物热导率的计算值与实验值的相对偏差分别小于4.32%、4.86%和4.94%,相对平均偏差分别小于3.24%、2.62%和3.77%,表明模拟结果与实验结果基本一致。通过对热流进行分解、部分热导率和传热效率的分析,其结果表明热能主要通过扭转角、角弯曲、库仑相互作用和动能传递。此外,随着分子链的增长,通过非键合相互作用传递的热能减少,通过键合相互作用传递的热能增加,这表明醛类、酮类和醇类有机物传热机制与分子结构之间存在显著的关系。(2)通过NEMD模拟方法,分别模拟了庚烷、己醛、2-己酮和己醇在263~363K的热传导过程,并计算得到了相应的热导率。四种有机物在263~363K下热导率的计算值与实验值的相对偏差分别小于7.31%,7.11%,7.15%和9.23%,相对平均偏差分别小于5.40%,5.46%,4.29%和7.80%,表明模拟结果与实验结果基本一致。热流进行分解和原子热路径的结果表明,对总热流有显著贡献的库仑相互作用项、范德华相互作用项和扭转角项都随着温度的升高而减小,这使得四种有机物的热导率随着温度的升高而降低。本文推测,温度的升高增大了分子的原子振动,加速了分子运动,降低了模拟体系的质量密度,使四种有机物的热导率发生了上述变化。(3)通过NEMD模拟方法,分别模拟了3-戊酮+正丁醇、正丁醇+正癸烷和正庚烷+正十一烷在不同质量分数下的热传导过程。三种二元液态有机混合物的热导率计算值的平均值与实验值的相对偏差分别小于9.27%,7.63%和9.76%,相对平均偏差分别小于3.51%,6.65%和4.13%,表明模拟结果与实验结果基本一致。根据热流分解和原子热路径分析可知,在三种混合物中,热能主要通过库仑相互作用、动能和扭转角项传递。此外,混合物的分子结构和各组分的质量分数与传热机理存在显著的相关性。本研究为探索液体的热传导过程提供了微观依据,初步了解了液态有机物热传导的途径和模式,同时有助于理解液态有机混合物的微观机理。
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