空化是自然界中普遍存在的复杂现象,空化的危害性及应用价值性对水力机械、船舶工程等诸多领域都存在显著的影响。为了尽可能降低空化所造成的损害,充分利用空化的益应用,有必要对空化初生机理及本质进行全面深入研究,从而为进一步提高主动空化技术水平提供理论支持。本文基于分子动力学模拟方法,将空化初生的气泡成核过程与固液界面动力学相联系,研究液态水在不同金属(铜、铂、铁)表面的空化初生现象,并分析其界面特性。本文主要研究内容及成果如下:1.基于Coulomb和12-6 Lennard-Jones力场势能,选取SPC/E水分子模型,研究了液态水在铜、铂壁面的空化初生现象,对比分析了水中空化核初生过程、空化泡发展及体积变化、金属界面及空化泡壁界面作用能、水分子扩散规律以及径向分布函数,结果表明:(1)铜、铂壁面的水分子体系中发生的空化初生现象是金属表面的异质成核行为,即产生相应的临界空化核,临界核内气相水密度不断升高促使其进一步发展为空化空泡,同时伴随着由于液态水受到的负压拉应力而产生的汽液相变过程,此外在低温或者高温状态下液态水不易发生空化初生现象。(2)在空化泡的发展过程中,铜壁面水分子体系所受的力场势能比铂壁面体系更加稳定,且液态水中未出现其他空穴。在273K~318K温度范围内,随着金属壁面水分子体系受到的负压拉应力不断增大,空化泡的体积均有不同程度的扩张,但铜壁面体系在308K的温度下以及铂壁面体系在318K的温度下空化泡的生长过程并不是始终呈现扩张的趋势,而是会在一段时间后出现收缩甚至消失现象。(3)水分子在铂表面的吸附作用强于铜表面,而其内部扩散速率相对较慢,并且铂表面体系的界面能量稳定性要优于铜表面体系,此外空化泡也存在一定的泡壁界面作用能以稳定气泡内外压力平衡。(4)温度影响水分子界面扩散速率,水分子在温度较高的体系中由于汽液相变加剧,因而具有更快的扩散速率。铂表面体系中水分子排布聚集程度相对明显。2.基于Fe_O_H原子间的Reax FF反应力场势能,研究了体相水体系在金属铁壁面的空化初生现象,并分析了水中空化泡发展变化过程、Fe原子界面及空化泡壁界面作用能、体相水及壁面Fe原子的动态扩散特性和界面水排布规律,结果表明:(1)在空化泡的发展变化过程中,308K温度状态下的反应力场势能相对稳固。在力场适应阶段,空化泡体积的扩增趋势较为明显;在力场反应阶段,连续稳定的力场能量动态平衡致使空化泡平缓地扩张。(2)273K系统温度下的体相水在Fe原子壁面的界面吸附能相对较弱,同时当体系处于力场反应阶段时,其温度下的液态水中氧元素与壁面铁元素间发生的共价相互作用不明显。(3)在力场适应阶段,水分子扩散速率的增幅较为明显,其扩散势垒较大;在力场反应阶段,水分子扩散系数相对稳定,同时Fe原子在壁面中的扩散系数的增量较为明显。此外温度较高的体系中体相水及Fe-Fe间内部扩散相对较快。(4)体相水中氧原子间径向分布函数分布符合近程(2.45~5.65?)有序远程无序的规律,温度变化对水分子周围出现近程有序分布的峰值强度存在一定影响。而界面水在4000fs时刻的排布相对密集,同时在308K体系温度下能较好地定量体现其稳定的分布结构特性。