均匀电场对冰晶结构及生长的影响.pdf

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1、物理化学学报(WuliHuaxueXuebao)1208Acta．-．Sin．2014，30(7)，1208—1214【Article]doi：10．3866／PKU．WHXB201405095WWW．whxb．pku．edu．cn均匀电场对冰晶结构及生长的影响张相雄陈民(清华大学工程力学系，北京100084)摘要：采用分子动力学模拟方法研究了强度为4．0—40．0V·nm的均匀电场对过冷水冰晶结构和冰晶生长速率的影响．文中通过CHILL算法来识别不同的冰相结构，通过拟合Avrami公式来得到冰晶生长所需的特征时间．结果

2、表明，在所施加的电场强度范围内生成的冰相以立方冰为主．随着电场强度的增加，形成的立方冰的变形程度逐渐增大，冰晶的密度从0．98g·cm增加到1．08g·cm～，同时冰晶生长的特征时间从5．153ns减小到0．254ns，冰晶生长的速率逐渐增长．对水分子的动力学分析表明，冰晶生长速率增加的部分原因是电场能够促进水分子运动到形成冰晶所需要的取向．此外，对冰相分子形成过程的分析表明缺陷冰分子在冰晶的生长过程中扮演着中间态的角色．随电场强度的增加，由缺陷冰转变为立方冰的比例增长的速率逐渐提高．关键词：分子动力学模拟；均匀电场；冰

3、晶结构；冰晶生长速率：缺陷冰分子中图分类号：0643InfluenceofHomogeneousElectricFieldontheStructureandGrowthofIceZHANGXiang-XiongCHENMin(DepartmentofEngineeringMechanics,TsinghuaUniversity,Beijing100084,PR．China)Abstract：HomogeneouscrVstallizationofsupercooledwaterunderelectricfieldwith

4、strengthrangingfrOm4．0to40．0V·nm～wasinvestigatedbyusingmolecularsimulationtechnique．Theliquid．solidtransitionwassuccessfullyobtainedbasedonicecomponentanalysisusingtheCHILLalgorithm．Theanalysissuggestedthattheproducedcrystallinewascubicicedominant．Theinfluenceoft

5、hefieldstrengthonthestructureandthegrowthrateoftheicewasstudied．Theresultsrevealedthatthepresenceofanelectricfielddrovethesystemtocrystallizerapidlyintodenseanddistortedcubicice．Thedensityofthecrystalsincreasedasafunctionofthefieldstrength．fr0m0．98tO1．08g·cm～．The

6、growthrateoftheicenucleusincreasedalongwiththefieldstrengthaccordingtothecharacteristictimederivedfr0mtheAvramiequationwhichrangedfr0m0．254to5．513ns．ThistypeofaccelerationcarlbepartialyattributedtotheenhancementoftherotationaIdynamicsofthewatermolecules．Moreover，

7、bymonitoringtheformationhistoryofthecubicjce，wefoundthatthedefe!ctiveiceactedasatransitionstatelinkingtheliquidwaterandthecubicice．KeyWords：Moleculardynamicssimulation；Homogeneouselectricfield；IcecrystalstructureGrowthrateoficecrystal；Defectiveicemolecule1lntrOdu

8、ctIonofelectricfieldonthepropertiesandthephasetransitionbehaviorLiquidwatercanstayunfrozenaslowas-40。Cinacleanofwaterisoffundamentalimportanceinmanyfieldssucha