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基于分子模拟方法的纳米气泡溃灭过程分析

张雪松 范振忠 仝其雷 付沅峰

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基于分子模拟方法的纳米气泡溃灭过程分析

张雪松, 范振忠, 仝其雷, 付沅峰

Analysis of nanobubble collapse process by molecular simulation method

Zhang Xue-Song, Fan Zhen-Zhong, Tong Qi-Lei, Fu Yuan-Feng
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  • 采用分子动力学模拟方法研究纳米气泡逐渐凹陷并发展至溃灭的过程, 本文主要研究冲击速度和气泡尺寸对纳米气泡溃灭的动力学特性影响机制. 结果表明: 纳米气泡溃灭大体上经历三个阶段. 首先是气泡外侧水分子压缩阶段, 然后是冲击波导致液膜稳定结构被破坏阶段, 最终发展至气泡完全溃灭阶段; 在冲击速度较大时, 较小尺寸气泡在更强的冲击效果作用下, 气泡溃灭时间更短; 纳米气泡溃灭后高速射流后在速度等高线右端形成凸起, 随着气泡尺寸和冲击速度增大, 凸起程度就越大, 水分子向气泡中心汇集, 在气泡上方和下方形成涡旋结构, 有效的增强了流体内部传质作用; 随着气泡尺寸和冲击速度的增大, 气泡周围密度也逐渐增大, 气泡完全时溃灭时局部密度可达1.5 g/cm3附近; 当气泡体系衰减至一半时, 出现水锤冲击效应, 随着气泡尺寸和冲击速度的增大, 水锤冲击作用愈发明显, 对于up = 3.0 km/s, D = 10 nm的纳米气泡结构塌陷后射流水锤冲击所形成的局部压强可达30 GPa.
    This study employs molecular dynamics simulations to investigate the process of nanobubble gradual indentation and eventual collapse. The research primarily focuses on the mechanisms by which impact velocity and bubble size influence the dynamic characteristics of nanobubble collapse. The results indicate that nanobubble collapse generally proceeds through three stages. Initially, there is a compression phase of water molecules surrounding the bubble, followed by a phase where the shock wave disrupts the stable structure of the liquid film, and finally, the complete collapse of the bubble. At higher impact velocities, smaller bubbles collapse more rapidly due to stronger shock effects. Post-collapse, a high-speed jet forms a protrusion on the right end of the velocity contour. The degree of protrusion increases with bubble size and impact velocity. Water molecules converge towards the bubble center, forming vortex structures above and below the bubble, effectively enhancing internal mass transfer. As bubble size and impact velocity increase, the density around the bubble gradually rises, reaching approximately 1.5 g/cm³ in localized areas upon complete collapse. When the bubble system decays to half its original size, a water hammer effect occurs. This effect becomes more pronounced with increasing bubble size and impact velocity. For a nanobubble structure with up = 3.0 km/s and D = 10 nm, the local pressure formed by the water hammer impact of the jet after collapse can reach 30 GPa.
      通信作者: 范振忠, fanzhenzhong@163.com
      Corresponding author: Fan Zhen-Zhong, fanzhenzhong@163.com
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  • 图 1  纳米气泡冲击过程示意图

    Fig. 1.  Schematic diagram of nanobubble impact process.

    图 2  纯水体系在不同冲击速度条件下沿z轴一维密度分布 (a) 1.0—2.0 km/s; (b) 2.5—3.0 km/s

    Fig. 2.  One-dimensional density distribution along the z-axis in the pure water system under different impact velocities:(a) 1.0–2.0 km/s; (b) 2.5–3.0 km/s.

    图 3  纯水体系在不同冲击速度条件下沿z轴一维密度分布曲线 (a) 1.0 km/s; (b) 1.5 km/s; (c) 2.0 km/s; (d) 2.5 km/s; (e) 3.0 km/s

    Fig. 3.  One-dimensional density distribution curves along the z-axis in the pure water system under different impact velocities: (a) 1.0 km/s; (b) 1.5 km/s; (c) 2.0 km/s; (d) 2.5 km/s; (e) 3.0 km/s.

    图 4  up-us的Hugoniot冲击压缩图

    Fig. 4.  Hugoniot shock compression diagram of up-us.

    图 5  纳米气泡体积归一化Ω(t)随冲击时间变化关系曲线 (a) 不同冲击速度; (b) 不同气泡尺寸

    Fig. 5.  Normalized Ω(t) curves of nanobubble volume as a function of impact time: (a) Different impact velocitys; (b) different nanobubble sizes.

    图 6  不同时刻下的纳米气泡结构变化情况(D = 10 nm, up = 3.0 km/s)

    Fig. 6.  Changes in nanobubble structure at different times (D = 10 nm, up = 3.0 km/s).

    图 7  纳米气泡溃灭前后的z 方向速度分布情况 (a) 不同冲击速度; (b) 不同气泡尺寸

    Fig. 7.  z-direction velocity distribution before and after the collapse of the nanobubble: (a) Different impact velocities; (b) different bubble sizes.

    图 8  1.4—3.0 ps纳米气泡外层液膜的运动轨迹曲线(单位: km/s)

    Fig. 8.  Motion trajectory curve of outer liquid film of 1.4–3.0 ps nanobubble (unit: km/s).

    图 9  up = 3.0 km/s, D = 10 nm纳米气泡二维流场(y-z平面)速度矢量分布 (a) 1.3 ps; (b) 2.2 ps; (c) 2.8 ps; (d) 3.4 ps (单位: km/s, 由于比例问题, 气泡呈椭圆形)

    Fig. 9.  Velocity vector distribution of two-dimensional flow field (y-z plane) of nanobubble with up = 3.0 km/s and D = 10 nm: (a) 1.3 ps; (b) 2.2 ps; (c) 2.8 ps; (d) 3.4 ps (unit: km/s, due to proportional issues, the bubble is elliptical in shape).

    图 10  不同气泡尺寸及冲击速度大小的气泡流场速度分布 (a) 不同气泡尺寸; (b) 不同冲击速度

    Fig. 10.  Velocity distribution of the bubble flow field at different bubble sizes and impact velocities: (a) Different bubble sizes; (b) different impact velocities.

    图 11  不同冲击速度下的体系势能PE (a)和动能KE (b)沿z轴一维分布曲线(3.3 ps)

    Fig. 11.  One dimensional distribution curves of system potential energy PE (a) and kinetic energy KE (b) along the z-axis at different impact velocities (3.3 ps).

    图 12  纳米气泡周围水分子质量密度沿z轴一维分布曲线

    Fig. 12.  One dimensional distribution curve of water molecule mass density around nanobubble along the z-axis.

    图 13  纳米气泡周围水分子质量密度的y-z平面二维云图 (a) 不同气泡尺寸; (b) 不同冲击速度

    Fig. 13.  Two dimensional cloud map of y-z plane of water molecule mass density around nanobubble: (a) Different nanobubble sizes; (b) different impact velocities.

    图 14  纳米气泡射流前沿x-y平面(径向)二维云图(单位: km/s)

    Fig. 14.  Two dimensional cloud map of the front x-y plane (radial) of the nanobubble jet (unit: km/s).

    图 15  纳米气泡射流产生局部压强的y-z平面二维云图 (a) 不同气泡尺寸; (b) 不同冲击速度

    Fig. 15.  Two dimensional cloud map of y-z plane generated local pressure by nanobubble jet: (a) Different nanobubble size; (b) different impact velocity.

    表 1  SPC/E刚性分子模型势能参数

    Table 1.  Potential energy parameters of SPC/E rigid molecular model.

    type ε/(kcal·mol–1) σ q/e
    O 3.166 0.15535 –0.8476
    H 0 0 0.4238
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    表 2  不同条件下的粒子速度和冲击速度对应结果

    Table 2.  Corresponding results of particle velocity and impact velocity under different conditions.

    up/(km·s–1) us1 us2 us3 uexp usim ε/%
    1.0 3.21 3.26 3.17 3.57 3.61 9.8
    1.5 4.06 4.14 4.16 4.40 4.30 6.4
    2.0 5.07 5.06 5.16 5.25 5.18 2.9
    2.5 5.89 5.93 5.99 5.93 5.51 0.6
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    表 3  不同粒子速度和尺寸下的纳米气泡破裂时间

    Table 3.  Breakdown time of nanobubble at different particle velocities and sizes.

    粒子速度
    up/(km·s–1)
    气泡尺寸
    D/nm
    气泡破裂时间 τ/ps
    MD Rayleigh 差值
    1.0 8 3.3 3.8 0.5
    10 4.2 4.7 0.3
    12 4.6 5.7 1.0
    1.5 8 2.2 2.5 0.3
    10 2.7 3.1 0.4
    12 3.4 3.7 0.3
    2.0 8 1.8 2.1 0.3
    10 2.2 2.3 0.1
    12 2.6 2.8 0.2
    2.5 8 1.4 1.5 0.1
    10 1.9 1.8 0.1
    12 2.1 2.2 0.1
    3.0 8 1.2 1.1 0.1
    10 1.6 1.4 0.2
    12 1.9 1.7 0.2
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    表 4  MD模拟和Rankine–Hugoniot计算冲击压力结果

    Table 4.  MD simulation and Rankine-Hugoniot calculation of impact pressure results.

    粒子速度up/(km·s–1) 冲击速度us/(km·s–1) 冲击压力 Ps/GPa
    MD Rankine–
    Hugoniot
    差值
    1.0 3.22 3.09 3.20 0.11
    1.5 4.12 6.16 6.18 0.02
    2.0 5.09 10.19 10.18 0.01
    2.5 5.93 14.96 14.82 0.14
    3.0 6.80 20.63 20.40 0.23
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出版历程
  • 收稿日期:  2024-08-06
  • 修回日期:  2024-08-26
  • 上网日期:  2024-09-04
  • 刊出日期:  2024-10-20

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