壁面温度和液膜厚度影响蒸发加湿的分子动力学研究

Molecular dynamics study on the influence of wall temperature and liquid film thickness on evaporation humidification

摘要

蒸发加湿技术因其健康可靠等优点在暖通空调领域应用广泛，其核心过程涉及固体表面纳米薄液膜的蒸发。为深入揭示微纳尺度下壁面温度与液膜厚度对蒸发过程的影响机理，本研究采用分子动力学方法，构建了铜-水体系模型，系统模拟了不同壁面温度（500 K， 600 K）与液膜厚度（2 nm， 4 nm， 6 nm）条件下液膜的蒸发行为。通过分析系统的原子热运动、分子势能分布及蒸发速率等热物理参数，研究了温度与膜厚的协同作用机制。结果表明：提高壁面温度显著增强了液膜蒸发驱动力，使蒸发量及蒸发速率大幅提升；同时，研究明确了壁面温度与液膜厚度对蒸发过程的协同影响，即在高温条件下，薄液膜的蒸发特性更为显著。此外，模拟结果清晰地观测到固-液界面效应对紧邻壁面水分子的束缚作用，抑制了其完全蒸发。本研究从微纳尺度揭示了壁面温度和液膜厚度影响蒸发加湿的热物理机制，为优化蒸发式加湿技术提供了理论依据，并为实际应用奠定了基础。

Abstract

Evaporation humidification technology is widely employed in the HVAC （Heating， Ventilation， and Air Conditioning） field due to its advantages， including health benefits and operational reliability. The core of this technology involves the evaporation of nano-thin liquid films on solid surfaces. To gain a deeper understanding of the influence mechanisms of wall temperature and liquid film thickness on the micro-nano scale evaporation process， this study utilizes molecular dynamics simulations to construct a copper-water system model. A systematic simulation was conducted to investigate the evaporation behavior of liquid films under varying wall temperatures 500 K and 600 K， and liquid film thicknesses 2 nm， 4 nm， and 6 nm. By analyzing key thermophysical parameters—such as atomic thermal motion， molecular potential energy distribution， and evaporation rate—the synergistic effects of temperature and film thickness were examined. The results indicate that increasing the wall temperature significantly enhances the driving force for evaporation， leading to a substantial increase in both evaporation volume and rate. Moreover， the study elucidates the combined influence of wall temperature and film thickness： under high-temperature conditions， thinner liquid films exhibit more pronounced evaporation characteristics. Additionally， simulation results clearly reveal the solid-liquid interface effect， which restricts the complete evaporation of water molecules adjacent to the wall. This research uncovers the underlying thermophysical mechanisms through which wall temperature and liquid film thickness influence evaporative humidification at the micro-nano scale， offering a theoretical foundation for the optimization of evaporative humidification technologies and laying the foundation for practical applications.

Graphical abstract

关键词

蒸发加湿 / 壁面温度 / 液膜厚度 / 分子动力学

Key words

Evaporation humidification / wall temperature / liquid film thickness / molecular dynamics

随着人们对室内环境质量要求的提高，加湿技术在暖通空调和建筑环境领域受到更多关注。常见的加湿方式主要包括水雾式、蒸汽式和蒸发式^［1-3］，其中，蒸汽式和蒸发式都是基于固体表面液膜蒸发，通过向室内环境输送湿空气进行加湿，以其健康可靠、应用性强的优势得到广泛应用^［4-5］。在纳米尺度下，固体表面液膜的蒸发主要集中在气-液-固三相接触区域数纳米厚的薄液膜内，该区域具有极高的传热系数，蒸发质量流量约占整个液相区的80%以上^［6-7］，表现出良好的蒸发特性。因此，深入研究薄液膜区域的蒸发机制，成为优化加湿方法的关键前提。此外，当薄液膜厚度在数百纳米量级时，可通过全内反射等宏观实验进行探究。然而随着膜厚度减小至纳米尺度，传统宏观方法的连续介质假设和经验参数外推不再适用。分子动力学（MD）模拟基于分子间势函数真实反映原子尺度行为，已成为研究纳米薄液膜蒸发过程的有力工具^［8-10］。

近几年，已有许多学者对薄液膜蒸发进行了研究。例如， Wang等^［11］研究了液膜厚度对相变模式的影响，发现薄液膜会促进液膜发生蒸发。Zhang等^［12］揭示了液膜厚度对相变起始时间的影响机制，指出液膜厚度增加会提高水力直径，从而促进蒸发过程。Wang等^［13］分析了600 K ~ 900 K的壁面温度对液膜内部分子间作用力的影响，表明温度升高会减弱液体分子间吸引力，加剧汽化，从而增强蒸发特性。Yu等^［14］研究了101 K和110 K条件下液膜的蒸发行为，进一步指出提高壁面温度会显著提升液膜的蒸发质量通量。

尽管已有研究对液膜蒸发机制取得了一定认识，但壁面温度和液膜厚度两者之间的协同作用对液膜蒸发机制的影响还需要进一步的揭示。本研究针对蒸汽式和蒸发式加湿技术中较多采用在铜和铝合金等金属表面，构建铜-水体系的分子动力学模型，模拟了不同温度与液膜厚度条件下纳米液膜的蒸发过程，分析其原子热运动、势能和蒸发速率等热物理特性，以揭示纳米液膜蒸发的基本规律，为加湿技术的优化提供理论依据和工程参考。

1 物理模型和研究方法

1.1 物理模型

如图1所示，模型系统由一个尺寸为4.33 nm （x）×2.17 nm （y）×30 nm （z）的方形容器组成。x和y方向均为周期性边界条件，z方向是反射边界条件。顶部和底部固体表面由铜原子组成，厚度均为7.22 Å，铜原子以面心立方（FCC）晶格排列且晶格常数为3.61 Å。液态水分子采用经典的TIP4P力场模型，键长键角分别固定为104.52°与0.957 Å，初始密度为986.6 kg/m³，沿z方向从7.5 Å高度开始向上填充，密集排列在底部铜表面上。系统有1 296个Cu原子和1944个水分子，当局部水分子密度低于300 kg/m³^［16］，视为水分子由液相转变为气相。模拟基于LAMMPS实现，可视化使用OVITO完成。

1.2 势函数设置

水分子与铜原子间的相互作用通过Lennard-Jones势与库伦势组合描述^［17-18］：

U_{ij}=\frac{C_{coul}{q}_{e,i}{q}_{e,i}}{r_{ij}}+\mathrm{4}{\epsilon }_{ij}\left[{\left(\frac{{\sigma }_{ij}}{r_{ij}}\right)}^{\mathrm{12}}-{\left(\frac{{\sigma }_{ij}}{r_{ij}}\right)}^{\mathrm{6}}\right]（1）

式中C_coul是库伦常数，q_e是原子电荷，r_ij 是原子i和j之间的距离，σ_LJ和ε是L-J势的特征长度和能量尺度。不同原子间的σ_ij和ε_ij 根据混合Lorentz-Berthelot守则计算得出^［8］：

{\sigma }_{ij}=\frac{{\sigma }_i+{\sigma }_j}{\mathrm{2}},{\epsilon }_{ij}=\sqrt[]{{\epsilon }_i{\epsilon }_j}（2）

模拟过程中设置截断半径为10 Å，采用PPPM求解器计算长程Columbic作用力。原子势能参数在表1中：

1.3 模拟过程

模拟分为两个阶段，首先是平衡阶段，在NVT系综下进行，利用Nose-Hoover热浴器保持铜基底温度恒定为300 K，时间步长为0.001 ps，模拟时长为1 ns，确保系统达到热力学平衡；之后是非平衡阶段，水分子切换至NVE系综，铜基底和顶部铜壁面保持NVT系综，壁面温度升高为500 K或600 K，并改变液膜厚度从2 nm至6 nm，运行9 ns。整个模拟过程中，顶部铜壁面温度恒定为300 K，用于冷凝蒸发水分子。通过Velocity-Verlet算法以0.001 ps的间隔计算原子坐标和速度，并以1ps的间隔对数据进行采样。

2 结果和讨论

2.1 分子热运动

图2是不同壁面温度和液膜厚度情况下水分子的蒸发过程。如图2所示，当T_s从500 K升高至600 K时，相同液膜厚度的蒸发量显著增加。具体而言，从0 ~ 9 ns在壁面温度为500 K的较低壁面温度下，液膜厚度分别为2 nm、4 nm、6nm时所对应的蒸发量分别为9.08 nm³、7.60 nm³及4.08 nm³，而当壁面温度升至600 K时，蒸发量明显增加为17.17 nm³、27.87 nm³及26.32 nm³，这一结果表明壁面温度升高为液膜蒸发提供了更强的驱动力。进一步分析发现，当壁面温度较低时，液膜厚度的变化对蒸发量的影响较小，而在高壁面温度条件下，薄液膜表现出更显著的蒸发特性，相反，厚液膜会由于液相热阻增大与能量传递路径增长，从而抑制蒸发过程的整体效率。此外，从图2（d）可见，液膜在7 ns时已接近完全蒸发，但直至9 ns时固体表面仍有少量水分子，这是由于紧邻壁面的液层受到固-液界面较强分子间作用力约束，液态水分子难以获得足够的热能来克服势能壁垒完成蒸发，展现出壁面效应对纳米尺度蒸发过程的显著影响^［19］。

2.2 分子势能

势能作为分子间相互作用的直接体现，是决定液态水分子能否克服作用力束缚进行蒸发的重要参数^［8-20］。在本研究中，将4.33 nm×30 nm的x - z方向计算域划分成20×200个均匀网格，以0.001 ns作为间隔计算液相势能，并每0.002 ns收集一次数据。

图3展示了不同工况下液膜的势能分布，对比图3（d）和（f）发现，当壁面温度相同时，液膜厚度较小的薄液膜在相同时间内蒸发量更大，表明其具有更高的蒸发速率。进一步观察图3（b）和（e）可见，当液膜厚度一定时，较高的壁面温度会促使液相区域更快减小，反映出更强烈的蒸发现象。更重要的是，对比图3（b）、（c）、（e）和（f）可以明确观察到壁面温度和液膜厚度之间存在显著的协同效应，在壁面温度较高时，液膜厚度对蒸发速率的影响更为突出。从势能变化角度看，在所有工况下，势能绝对值大的液相分子逐渐向势能绝对值小的气相转变，符合蒸发过程需要克服分子间相互作用势的基本热物理机制。

2.3 液膜体积和蒸发速率

图4表明不同壁面温度和液膜厚度条件下液膜体积随时间的变化过程。从图中可以看出，液膜在蒸发开始之前，出现体积暂时增加的现象，一方面是由于壁面加热引起液膜温度升高，导致液相体积热膨胀，另一方面，在加热初始阶段，热量由壁面向液膜内部传递存在弛豫时间，液膜顶部水分子尚未获得足够的热能克服相变能垒，此时蒸发量较小。进一步对比相同壁面温度下不同厚度的液膜体积变化曲线发现，液膜厚度越小，体积衰减速率更快，表明相对于厚液膜，薄液膜具有更显著的蒸发特性。如壁面温度为600 K、液膜厚度为4 nm时，在0 ~ 5 ns体积减少量为10.98 nm³，而液膜厚度为6 nm时则为9.34 nm³。另一方面，当液膜厚度相同时，壁面温度越高，壁面和液膜间的过热度越高，水分子的相变驱动力越强，体积衰减越快，如液膜厚度为4 nm时，壁面温度由500 K升高至600 K，在0 ~ 5 ns同一时间段，液膜体积的减少量由1.29 nm³显著提升为10.98 nm³。

图5展示了不同壁面温度和液膜厚度条件下液膜平均蒸发速率的变化，图中每个时间节点的速率为前1 ns时间段内的平均蒸发速率。从图中可以看出，在相同液膜厚度条件下， 壁面温度为600 K的蒸发速率明显高于壁面温度为500 K，针对6 nm厚液膜进行分析，壁面温度从500 K升高至600 K，峰值蒸发速率从9.44提高至21.38·10^-15·ng·ns^-1·Å^-²，提升约2.26倍。这是由于高温向水分子传递了更多热量，使其更容易突破液-气界面的相变势垒，加速向气相的转变过程。而在5 ns后，高温下由于液膜整体蒸发减薄，此时绝大部分水分子已经蒸发，仅剩一层因固液界面较强吸引力（势阱深度约为-4.15 eV）而被基底吸附的水分子无法继续蒸发，从而导致蒸发速率迅速降低。对于壁面温度为500 K时，液膜厚度为2 nm、4 nm及6 nm所对应的蒸发速率峰值分别为6.78、7.08及9.71×10^-15·ng·ns^-1·Å^-²，而壁面温度升高至600 K时则分别为17.08、17.22及21.38·10^-15·ng·ns^-1·Å^-²，对应的蒸发速率提升分别为151.92%、143.22%及120.19%，提升温度可以显著提升蒸发速率，而薄液膜在高温条件下对温度变化更为敏感。

3 结论

本研究通过分子动力学模拟方法建立了不同温度和膜厚条件下铜-水系统的液膜蒸发加湿模型，深入揭示了壁面温度和液膜厚度对纳米尺度薄液膜蒸发的影响机理和规律。虽然研究是针对特定的材料体系进行的，但所得结论可以推广到其他纳米尺度的蒸发体系。主要结论如下：（1）随着温度升高，所有工况下液膜的蒸发量明显增大，蒸发速率显著提高，而紧邻壁面的液层水分子由于界面效应，受到强固-液相互作用力，从而不能完全蒸发。（2）液膜厚度减小导致内部分子势能快速增大，降低液相水分子向气相水分子转变的相变势垒，加速液膜的气化过程，并从分子势能角度对界面效应进行了验证，且在薄液膜条件下界面效应更为显著；（3）探究了壁面温度和液膜厚度对薄液膜蒸发的协同影响机制，在低温条件下，液膜厚度对蒸发过程影响较弱，而在高温条件下，液膜蒸发量和蒸发速率对膜厚变化较为敏感，薄液膜具有更显著的蒸发特性。本文从微纳尺度揭示了壁面温度和液膜厚度影响蒸发加湿的协同机制，未来的研究还需要系统地考察这些规律在其他体系中的适用性和差异性，同时，打破时间和长度尺度的限制，发展优化纳米尺度的模拟方法，为优化蒸发加湿技术提供了理论依据，并为实际应用奠定了基础。

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基金资助

国家自然科学基金项目(52508139)

陕西省教育厅高校工程研究中心项目(24JR091)

榆林市科学技术局科技计划项目(2024-CXY-161)