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Nonequilibrium Molecular Dynamics Simulation of the Thermocapillary Effect

Maier, Holger Andreas :
Nonequilibrium Molecular Dynamics Simulation of the Thermocapillary Effect.
TU Darmstadt Fachbereich Maschinenbau, Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2011)

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Nonequilibrium Molecular Dynamics Simulation of the Thermocapillary Effect - PDF (Molekulardynamische Nichtgleichgewichtssimulation des thermokapillaren Effekts)
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Nonequilibrium Molecular Dynamics Simulation of the Thermocapillary Effect - Tables - PDF (Molekulardynamische Nichtgleichgewichtssimulation des thermokapillaren Effekts - Tabellen)
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Nonequilibrium Molecular Dynamics Simulation of the Thermocapillary Effect - Figures1 - PDF (Molekulardynamische Nichtgleichgewichtssimulation des thermokapillaren Effekts - Abbildungen1)
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Nonequilibrium Molecular Dynamics Simulation of the Thermocapillary Effect - Figures2 - PDF (Molekulardynamische Nichtgleichgewichtssimulation des thermokapillaren Effekts - Abbildungen2)
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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Nonequilibrium Molecular Dynamics Simulation of the Thermocapillary Effect
Language: English
Abstract:

A natural convection occurs at lateral spatially variable solid-fluid or liquid-fluid interfaces [probstein1994]. It can play an important role in the transport of heat or mass across such interfaces, e.g. in evaporation or solvent extraction as they are often employed in chemical engineering [sherwood1975]. Model systems of such interfacial systems have been studied by different methods [colinet2001].

A very fundamental method is the usage of so-called molecular dynamics (MD) simulations [allen2003]. They model reality on a system of massive and charged particles (typically chosen so as to represent atoms), between which interparticle forces (chosen so as to represent intra- and intermolecular interactions) act, and solve the particle equations of motion under external constraints, that reproduce its interactions with the surroundings. Such a simulation could be considered as a numerical experiment, since the underlying assumptions are so fundamental that the system should, depending on their approximation of reality, also behave realistic on a larger scale in many situations.

We go beyond previous MD simulations of interfacial systems by considering also stationary nonequilibrium situations, which are technically more challenging to implement. An existing model system with liquid-liquid interfaces of Argon-like particles serves us as a starting point [buhn2004], [buhn2006], [bopp2008]. We implement a temperature gradient parallel to the interfaces by thermostating the particles in two opposite regions, so-called boundary regions, of the system to different temperatures.

Vortices localise close to the interfaces, with flow from hot to cold on each side along them. These vortices have all the characteristics ascribed to thermocapillary convection, the well-known Marangoni effect [weber1854], [thomson1855], [marangoni1871]. We shall thus assume its underlying effect (more generally known as the Marangoni effect) in action.

We then determine in detail the spatial distributions of different observables, that are related to the thermocapillary effect, and study their influences in parameter variations of the simulation system. Its flows depend, among other things, on the temperature gradient, the system geometry, and the viscosity of the liquids.

Finally, we compare the local behaviour at liquid-liquid with the one at other types of interfaces, e.g. liquid-gas and solid-fluid. Although the convection at them may differ at first sight, similar relations apply between the local observables as at liquid-liquid interfaces. Hence, we postulate a common underlying effect and make suggestions for further research into it.

Probstein R.F. 1994 Physicochemical Hydrodynamics 2nd. ed., John Wiley & Sons, New York

Sherwood T.K., Pigford R.L., Wilke C.R. 1975 Mass Transfer, McGraw-Hill, New York

Colinet P., Legros J.C., Velarde M.G. 2001 Nonlinear Dynamics of Surface-Tension-Driven Instabilities, Wiley-VCH, Berlin

Allen M.P., Tildesley D.J. 2003 Computer Simulation of Liquids, Oxford University Press, Oxford

Bopp P.A., Buhn J.B., Maier H.A., Hampe M.J. 2008 Chem. Eng. Communications 195 (11) 1437-1464

Buhn J.B., Bopp P.A., Hampe M.J. 2004 Fluid Phase Equilibria 224 (2) 221-230

Buhn J.B., Bopp P.A., Hampe M.J. 2006 J. Mol. Phys. 125 187-196

Weber E.H. 1854 Berichte über die Verhandlungen der königlich sächsischen Gesellschaft der Wissenschaften; Mathematisch-Physische Classe 1854 57-67

Thomson J. 1855 The London and Edinburgh Philosophical Magazine and Journal of Science 10 330-333

Marangoni C. 1871 Annalen der Physik und Chemie 143 337-354

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
An lateral örtlich veränderlichen fest-fluid und flüssig-fluid Phasengrenzen entstehen natürliche Konvektionen [probstein1994]. Sie können den Wärme- oder Stofftransport über die Grenze stark beeinflussen, z.B. bei in der Verfahrenstechnik weit verbreiteten Verdampfungs- oder Flüssig-Extraktionsprozessen [sherwood1975]. Modelle solcher Phasengrenzsysteme wurden bereits mit verschiedenen Methoden untersucht [colinet2001]. Die sogenannten molekulardynamischen (MD) Simulationen sind eine sehr fundamentale Methode [allen2003]. Sie bilden die Realität ab durch ein System aus masse- und ladungsbehafteten Teilchen (repräsentieren üblicherweise Atome), zwischen denen Kräfte (repräsentieren üblicherweise inter- und intramolekulare Wechselwirkungen) wirken, und lösen die Teilchenbewegungsgleichungen unter externen Randbedingungen, die seine Wechselwirkungen mit der Umgebung wiedergeben. Solch eine Simulation könnte man auch als numerisches Experiment bezeichnen, da ihre zugrundeliegenden Annahmen so fundamental sind, dass sich das System, je nach deren Realitätsnähe, auch auf größeren Längenskalen stets realistisch verhalten sollte. Wir gehen in dieser Arbeit über frühere MD Simulationen von Phasengrenzsystemen hinaus, indem wir auch stationäre Nichtgleichgewichtszustände simulieren, die technisch aufwändiger zu implementieren sind. Ein bereits existierendes Modellsystem mit flüssig-flüssig Phasengrenzen aus Argon-ähnlichen Teilchen dient uns als Ausgangspunkt [buhn2004], [buhn2006], [bopp2008]. Wir implementieren einen Temperaturgradient entlang der Phasengrenzen durch Thermostatisieren der Teilchen in zwei gegenüberliegenden Bereichen, sog. "boundary regions", des Systems auf unterschiedlichen Temperaturen. In der Nähe der Phasengrenzen bilden sich auf beiden Seiten Wirbel. Ihre Strömungsrichtung zeigt an der Grenze selbst von heiß nach kalt. Diese Wirbel haben alle charakteristischen Eigenschaften einer thermokapillaren Konvektion, wie sie der Marangoni-Effekt bewirkt [weber1854], [thomson1855], [marangoni1871]. Wir nehmen daher an, dass er im System auftritt. Wir bestimmen anschließend im Detail die örtliche Verteilung verschiedener Observablen, die mit dem thermokapillaren Effekt in Verbindung stehen, und untersuchen deren Einflussfaktoren in Parameterstudien des Simulationssystems. Dessen Strömungen hängen unter anderem ab von dem Temperaturgradient, der Systemgeometrie und von der Viskosität der Flüssigkeiten. Abschließend vergleichen wir das lokale Verhalten an flüssig-flüssig mit demjenigen an anderen Phasengrenzen, z.B. flüssig-gas oder fest-fluid. Obwohl die Konvektion an ihnen vordergründig anders aussehen kann, bestehen ähnliche Beziehungen zwischen den lokalen Observablen wie an den flüssig-flüssig Phasengrenzen. Wir postulieren daher einen gemeinsamen Effekt, der all diesen Strömungen und zugrunde liegt und machen Vorschläge zu dessen weiterer Untersuchung. Probstein R.F. 1994 Physicochemical Hydrodynamics 2nd. ed., John Wiley & Sons, New York Sherwood T.K., Pigford R.L., Wilke C.R. 1975 Mass Transfer, McGraw-Hill, New York Colinet P., Legros J.C., Velarde M.G. 2001 Nonlinear Dynamics of Surface-Tension-Driven Instabilities, Wiley-VCH, Berlin Allen M.P., Tildesley D.J. 2003 Computer Simulation of Liquids, Oxford University Press, Oxford Bopp P.A., Buhn J.B., Maier H.A., Hampe M.J. 2008 Chem. Eng. Communications 195 (11) 1437-1464 Buhn J.B., Bopp P.A., Hampe M.J. 2004 Fluid Phase Equilibria 224 (2) 221-230 Buhn J.B., Bopp P.A., Hampe M.J. 2006 J. Mol. Phys. 125 187-196 Weber E.H. 1854 Berichte über die Verhandlungen der königlich sächsischen Gesellschaft der Wissenschaften; Mathematisch-Physische Classe 1854 57-67 Thomson J. 1855 The London and Edinburgh Philosophical Magazine and Journal of Science 10 330-333 Marangoni C. 1871 Annalen der Physik und Chemie 143 337-354German
Place of Publication: Darmstadt
Uncontrolled Keywords: Nonequilibrium molecular dynamics simulation, Marangoni convection, biphasic mixture, liquid-liquid interface, Soret effect
Alternative keywords:
Alternative keywordsLanguage
Molekulardynamische Nichtgleichgewichtssimulation, Marangoni Konvektion, Binäres Stoffgemisch, Flüssig-Flüssig Phasengrenze, Soret-EffektGerman
Classification DDC: 600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 620 Ingenieurwissenschaften
Divisions: Fachbereich Maschinenbau > Thermische Verfahrenstechnik
Date Deposited: 15 Oct 2011 07:06
Last Modified: 07 Dec 2012 12:01
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-27583
License: Creative Commons: Attribution-Noncommercial-No Derivative Works 3.0
Referees: Hampe, Prof. Dr.- Manfred J. and Bopp, Prof. Dr. Philippe A.
Refereed: 16 September 2011
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/2758
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