热子气动力学模拟方法VIP免费

中国工程热物理学会传热传质学学术会议论文编号：113575热子气动力学模拟方法胡帼杰曹炳阳过增元（清华大学航天航空学院，热科学与动力工程教育部重点实验室，北京100084）（Tel：010-62782982，E-mail：hgj09@mails.tsinghua.edu.cn）摘要：随着科学技术的发展，在激光、碳纳米管等前沿技术中，傅里叶导热定律不再成立，过增元等提出了热质理论，建立热质运动方程得出了普适导热定律，但要对其进行验证传统的分子动力学模拟方法有局限性。与传统分子模拟方法以静子为模拟对象不同，本文提出了一种热子气动力学模拟方法，以理想气体中的热质即热子气为对象进行直接模拟，并对热子建立了碰撞模型，以描述热子的运动规律。文中通过对热子气的平衡态系统和非平衡态系统的模拟计算，不仅验证了热子气的状态方程还正确计算了氩气的热导率。关键词：热质；热子；热子气；非傅里叶导热；热子气动力学模拟中图分类号：TK124文献标识码：A0引言热学是门古老的科学，它起源于人类对冷与热现象的本质的追求。关于热的本质的认识，历史上曾有过激烈的争论[1-3]，它们可以主要归纳为两类：一类是热质说，认为热是一种看不见、没有质量的流体，可从高温物体流向低温物体，且数量守恒；另一类是热动说，认为热是物质组成粒子无规则运动的结果，是一种特定的能量形式。17世纪至18世纪，基于热质说人们取得了一系列非常重要的发现，比如布莱克发现了“比热”和“潜热”，拉普拉斯和泊松找到了声速与比热比的关系，卡诺建立了热机效率的卡诺定律等，然而由于热质说无法解释摩擦生热等现象，19世纪40年代以后，随着焦耳对热功当量的精确测量和能量守恒与转化定律的建立，热质说逐渐衰落，热动说得到了普遍承认，现代的热学理论都是基于热动说的观点发展而来的[4]。作为传热学中核心定律，傅里叶导热定律是一个唯象定律，它避开对热的本质的假定，基于实验结果得到传热过程的规律[5]。在传统应用领域，傅里叶导热定律已为大量的实验和工程实际所证实并获得广泛应用。不过，随着科学技术的发展，在激光、碳纳米管等前沿技术中，面对极低温、超快速以及超高热流密度等极端条件，傅里叶导热定律不再成立，导热过程中出现非傅里叶效应，大量学者对此进行了理论分析[6]、数值模拟[7]以及实验研究[8]。这种傅里叶定律的缺陷吸引人们从理论上对其改进，提出了各种的修正模型[9,10]。然而这些模型都只是进行数学的改进而没有深入物理本质，会产生新的悖论。因此这就需要基于物理本质提出新的热学理论来研究传热过程。过增元等从探讨热的本质出发，基于爱因斯坦质能关系式，提出了热质[11-17]的概念，即2hhhEMVcρ==，(1)其中，Mh是热质，Eh是物体的内能，V是体积，ρh是物体的热质密度；具体地，对于理想气体，建立了热子和热子气[11-13]的概念，并采用气体分子动理论导得了热子气的压力（热质压力）和热子气的状态方程，即222052BhnkTpmc=，(2)其中，n是热子气的数密度，m0是热子对应的静子的质量，T是热子气的温度，kB=1.38×10-23J/K是波尔兹曼常数，c是真空中的光速。从热质概念出发，过增元等还通过建立热质运动方程得到了固体介质中的普适导热定律[13-17]，即()()0vvtmhtmhhcTcTqqTuuuKqttxxxρρττ∂∂∂∂∂++−++=∂∂∂∂∂，(3)其中，22tmvKcTτγρ=是特征时间，hvqucTρ=是热质运动速度，K是基于傅里叶定律的表现热导率，q、cv、T分别是热流密度、比热和温度。由于热量传递本质上是热质在介质中的运动，因此基于第一性原理推导而得的普适导热定律描述的就是热量传递的基本规律。基于普适导热定律，不仅对非傅里叶现象给出了本质的解释，即由热质惯性不能忽略引起，还成功预测了热拥塞[18]等现象。目前，关于热质和普适导热定律的研究主要是理论分析，为了进行验证，亟需相关的数值模拟和实验研究。但是，由于热质很小且在极端条件下才能有所体现，因此实验研究难度很大，人们更多的寄希望于数值模拟的方法。不过，传统的分子动力学模拟方法是以静子为对象，在运动过程中认为对象质量不变，也即没有体现热质的概念，因此无法得到关于热质的结论。本文提出了一种热子气动...