微观拉瓦尔喷管声学视界的分子动力学研究

拉瓦尔喷管可将膨胀气体加速至超声速以上，同时使气体冷却。本工作通过采用巨正则蒙特卡洛粒子库的非平衡分子动力学稳态流模拟，研究微观拉瓦尔喷管的这一过程。我们研究了简单流体（通过伦纳德-琼斯势相互作用的单原子气体）穿过具有原子级光滑壁面的理想化喷管的膨胀，针对不同的喷管尺寸获得了热力学状态变量压力、密度与温度，以及努森数、声速、速度和膨胀气体对应的马赫数。我们发现温度定义良好，即粒子各速度分量服从麦克斯韦-玻尔兹曼分布，但它是各向异性的，尤其对小喷管而言。速度自相关函数揭示了冷却超声速气体趋于凝聚的倾向，尽管喷管过小不足以形成团簇。总体而言，我们发现微观喷管在定性上如同宏观喷管，粒子被加速至超声速而相对于稳态流的热运动被冷却。我们发现，如同宏观拉瓦尔喷管，微观喷管也展现声学视界，其在微观尺度上定义良好。声学视界的位置仅比通过宏观喷管的等熵膨胀稍下游，后者位于最窄处。我们通过研究时空密度关联（即气体密度的两个位置的热涨落如何在时间上关联）来分析声学视界，发现声学视界之后在微观尺度上确实不存在上游关联。