Ar-Kr低温界面传热过程分子动力学模拟

    1 引 言

    在航天器热控技术中,航天器内部各部件、构件、高功率密度器件之间的热量传递主要是通过接触导热方式来完成的。在超导技术领域,直接冷却技术的应用将已有的液氦与固体冷却的模式,转移到固体(超导器件)和固体(制冷机冷端)的导热为主的传热模式。由于传热机理的变化,在固体接触导热中,界面热阻及其最佳热耦合机理成为直接冷却的关键科学问题[1]。随着科学技术的发展,界面热阻的研究已经成为国内外研究的热点之一。

    1957年,Alder和Wainwright[2]首先在硬球模型下,采用分子动力学(Molecular Dynamics,MD)研究气体和液体的状态方程,开创了利用分子动力学模拟方法研究物质宏观性质的先例。20世纪80年代后期,由于计算机技术的飞速发展,加上多体势函数的提出与发展,为分子动力学模拟技术注入了新的活力。分子动力学模拟不仅能得到原子的运动学模拟原子的运动细节,还能像做实验一样进行各种观察。作为实验的有效补充手段,分子动力学方法被广泛应用于热传导的研究工作中[3]。分子动力学模拟可分为平衡态分子动力学模拟(EMD)和非平衡态分子动力学模拟(NEMD)。由于用平衡态分子动力学模拟界面热阻,无法讨论界面传热在分子运动中的变化趋势,而且需要讨论较为复杂的热流的变化过程,因此可以采用非平衡态的分子动力学来模拟界面热阻。非平衡态分子动力学方法可分为各向同性(homoge-neous)和各向异性( inhomogeneous)两类。在各向同性非平衡态分子动力学方法中,模拟区域中不存在真实的温度梯度,通过对粒子的运动施加扰动(如外加力场)来模拟温度梯度效应。而在各向异性非平衡态分子动力学方法中,仿照真实的物理模型对模拟区域施加温度梯度[3]。为了更加真实的模拟出实际系统中的界面热阻的内在形成机制,可以采用各向异性非平衡态分子动力学模拟方法来仿真界面热阻。

    选择Kr, Ar作为低温界面传热分子动力学研究对象,是因为Lennard-Jones (LJ)势函数对于惰性气体(Kr, Ar等)分子间van derWaals力给予了很好的描述,已有的MD模拟显示,采用LJ势计算出的液态Ar的各种物理特性同实验结果非常吻合[4]。本文采用各向异性非平衡动力学运用恒温墙法的方法模拟了以氩(Ar)与氪(Kr)的低温界面热阻,再现了界面层的传热过程。

    2 Ar-Kr低温界面热阻的分子动力学模型

    在各向异性非平衡态动力学模型中,施加温度梯度的方法有外加热流和恒温墙两种,通常选用恒温墙方法,如图1。热域与冷域外层为绝热域,采用基于经典Boltzman分布的能量均分定理,可以得到垂直于X轴的粒子平面的温度可由式(1)获得。