均相与非均相气泡/液滴成核密度泛函理论研究
液滴（气泡）成核在化工过程中普遍存在，对相变过程中成核机理进行研究，在科学和工业应用领域均具有重要意义。本文从不同分子间相互作用出发，以密度泛函理论为基础，结合其他相关的统计力学理论及成核理论，研究了均相和非均相成核过程中液滴（气泡）的微观结构变化，分析了液滴（气泡）成核的界面张力、自由能垒、临界成核半径等性质，主要内容如下:
(1)构建了全局性密度泛函理论模型。计算了Ar的全局性相平衡和汽液界面张力，得到了临界μ指数;研究了Ar在过饱和条件下形成液滴所产生的弯曲界面张力，由此得到体系的Tolman长度;分析了液滴成核过程中的自由能变化;预测了Ar的成核速率，与经典成核理论相比，预测精度大大提高。
(2)构建了混合流体的密度泛函理论模型，计算了Lennard-Jones流体混合物压力-组成相平衡曲线和不同压力下的汽液界面张力，计算结果与分子模拟数据一致;由此出发，研究了不同混合物在疏溶剂板上的气体富集和溶剂耗损现象;计算了不同混合流体在疏溶剂板上的气泡成核自由能，分析了气体富集与气泡成核的关系，确定了气泡自发成核的条件。
(3)通过引入统计缔合流体理论，建立了能够描述实际流体混合物的密度泛函理论模型。预测了N2-H2O体系的相平衡曲线和界面张力，结果与实验值一致;讨论了温度和固体板的疏水性对水中溶解空气在疏水板面富集程度的影响;研究了空气-水体系在不同疏水板上的气泡成核自由能，确定了其自发形成稳定气泡的条件，为解释纳米气泡形成机理提供了直接理论依据。
(4)构建了三维密度泛函理论，研究了Lennard-Jones流体在固体表面液滴成核过程，完整体现了固体表面与汽液弯曲界面对液滴内密度波动的共同影响;分析了不同固体表面属性对液滴微观结构的影响，计算了液滴非均相成核过程中的自由能变化及临界成核半径。
(5)将三维密度泛函理论拓展应用到混合体系，研究了Lennard-Jones二元流体混合物在固体板上的液滴和气泡成核。由液滴和气泡在不同板上的三维密度分布，可直接测得汽-液-固三相共存时的接触角;此外，由三维体系总能量、两相界面能量及改进的Young's方程，可计算得到线张力和接触角。比较发现，两种方法得到的接触角一致，表明模型对线张力和接触角的计算是可靠的。由此建立了新的线张力计算方法，实现了线张力与界面张力的一体化理论表达。
密度泛函理论;非均相气泡;液滴成核;能量分布
北京化工大学
博士
化学工程与技术
密建国
2013
中文
O647.1
141
2013-12-31（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）