水作为一种广泛用于制冷制热、发电、航空航天等生产实践中的物质,起到传热、蓄热等作用。它的相变、传热和其他物质在其中的溶解等动态行为一直是科学研究的重要课题。众多科研人员进行了大量的实验和理论研究,但目前这些结果还未能揭示凝结相变的微观机理的全貌。本文应用分子动力学研究水蒸气凝结相变的核化和单体生长过程的生长规律,并分析对该过程产生影响的因素(如尺寸、压力、不凝结气体存在的影响)。主要研究成果如下:模拟不同压力和温度条件下凝结的核化和单体生长初期阶段;记录整个模拟过程中冷源及热源的吸、放热量和模型总的能量状态并计算模拟过程中的平均凝结传热系数;比较多个压力下核化过程中不同液相直径的传热传质效果,主要分析液相尺寸对凝结效率的影响(这也是本文区别于以往研究之处)。模拟结果显示在凝结相变的核化和单体生长初期阶段,凝结相变的传热系数远高于宏观实验数据;同时,凝结水的尺寸对凝结效率有一定影响,随液滴的直径增加凝结速率逐渐增大,还验证该结论在不同温度压力及有不凝结气体存在条件下的适用性。对氧气和氮气的分子模型参数进行优化,通过模拟导热系数、气液平衡以及饱和压强和温度的关系曲线等热力学性质,并与实验结果相对比来验证优化结果的准确性。在此基础上,采用优化后的模型模拟凝结相变的核化和单体生长初期阶段两种不凝结气体(氧气和氮气)含量不同时核化凝结过程中的传热传质效果;同时进一步分析了压力对凝结相变的影响。从模拟结果可以看出不论是氧气还是氮气,含量越大凝结速率越慢,而且当不凝结气体含量过大时,增加相同比例的氧气,凝结速率减慢幅度逐渐缩小。同时也可以看出压力越大凝结速率越快,并且压力与凝结速率间是正相关的线性关系。最后模拟不同压力与温度下氧气在纯水中的溶解度和溶解特性,对发生溶解的氧气分子数目、模型压力等参数进行分析,并与实验结果相对比。通过以上研究,希望为科研人员进一步掌握凝结现象前期的核化和单体生长过程的微观机理提供帮助,提高相变效率;同时通过模拟不凝结气体在高压条件下的溶解度,为工程应用提供更多的理论支持。