储能科学与技术, 2023, 12(3): 654-660 doi: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2022.0683

储能材料与器件

LiCl-KCl熔盐纳米流体结构和热物性的分子动力学模拟

田禾青,, 寇朝阳, 周俊杰, 余银生,

郑州大学机械与动力工程学院，河南 郑州 450001

Molecular dynamics simulation of structure and thermal properties of LiCl-KCl molten salt nanofluids

TIAN Heqing,, KOU Zhaoyang, ZHOU Junjie, YU Yinsheng,

School of Mechanical and Power Engineering, Zhengzhou University, Zhengzhou 450001, Henan, China

通讯作者: 余银生，助理研究员，研究方向为相变储热材料，E-mail：yinshengyu@zzu.edu.cn。

收稿日期: 2022-11-18   修回日期: 2022-12-02  

基金资助: 国家自然科学基金项目.  51906228
河南省博士后基金.  202103007

Received: 2022-11-18   Revised: 2022-12-02  

作者简介 About authors

田禾青（1987—），男，博士，讲师，研究方向为相变储热材料，E-mail：tianhq@zzu.edu.cn； E-mail：tianhq@zzu.edu.cn。

摘要

采用分子动力学方法研究了Al2O3纳米颗粒对二元氯化物熔盐LiCl-KCl结构和热物理性能的影响，分析了熔盐纳米流体(Nanofluids，NF)的径向分布函数、配位数N(r)、自扩散系数D、密度、黏度和热导率随纳米颗粒掺杂量和温度的变化规律。结果表明，在700～1400 K温度范围内，随着纳米颗粒掺杂量的增加，径向分布函数gLi-Cl(r)的第一峰位置逐渐向左移动，且峰高增加，配位数逐渐增大，自扩散系数逐渐减小。熔盐纳米流体的密度、黏度和热导率随温度的升高而降低，随纳米颗粒掺杂量的增加而增加，黏度和热导率最大分别提高了16.83%和4.95%。热物性的变化归因于Al2O3纳米颗粒的加入减小了纳米流体中阴阳离子间的距离，增强了缔合作用，使得熔体结构更加致密。

关键词： 熔盐 ; Al2O3 ; 微观结构 ; 热物性 ; 分子动力学

Abstract

Herein, the molecular dynamics method investigates the effects of Al2O3 nanoparticles on the structure and thermophysical properties of binary chloride salt LiCl-KCl. Furthermore, the effect of doping amount and temperature on radial distribution function, coordination number [N(r)], self-diffusion coefficient(D), density, viscosity, and thermal conductivity of nanofluids were analyzed. The results show that in the temperature range of 700～1400 K, with increasing nanoparticles, the first peak position of the radial distribution function gLi-Cl(r) moves to the left gradually, the peak height and the coordination number increase, and the self-diffusion coefficient decreases gradually. The density, viscosity, and thermal conductivity of nanofluids decreased with increasing temperature but increased with increasing nanoparticles, and the maximum viscosity and thermal conductivity increased by 16.83% and 4.95%, respectively. The change in thermophysical properties was attributed to adding Al2O3 nanoparticles that reduced the distance between anions in the nanofluids, enhancing the association effect, and making the melt structure more compact.

Keywords： molten salt ; Al2O3 ; microstructure ; thermophysical property ; molecular dynamics

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本文引用格式

田禾青, 寇朝阳, 周俊杰, 余银生. LiCl-KCl熔盐纳米流体结构和热物性的分子动力学模拟[J]. 储能科学与技术, 2023, 12(3): 654-660

TIAN Heqing. Molecular dynamics simulation of structure and thermal properties of LiCl-KCl molten salt nanofluids[J]. Energy Storage Science and Technology, 2023, 12(3): 654-660

近年来，由于可再生能源利用规模的迅速增大，解决其固有的间歇性、周期性和不稳定性问题迫在眉睫[1-3]。熔盐作为性能优良的储热材料，可以有效存储和转换中高温范围内的热能，削峰填谷，实现清洁能源的高效利用。尽管熔盐作为储热介质已经在光热发电方面取得了实质性进展，但是熔盐自身的导热能力较差[4]，限制了其规模化应用。在熔盐中添加高导热的金属氧化物纳米颗粒可以有效强化熔盐的热物理性质[5]，提高系统发电效率。Wei等[6]把MgO纳米颗粒分散在太阳盐中制备成纳米流体，研究在黏度基本不变的情况下熔盐纳米流体热导率随纳米颗粒添加量的变化规律。发现当纳米颗粒的质量分数从2.5%增加到10.0%时，纳米流体热导率提高了5.4%～62.1%。Han等[7-8]研究了纳米颗粒种类对三元氯化物MgCl2-KCl-NaCl热导率的影响。结果表明，当纳米颗粒的质量分数均为0.7%时，Al2O3、ZnO和CuO纳米流体的平均热导率较基盐分别提高了62.59%、21.58%和6.47%。Chen等[9]将四元硝酸盐Ca(NO3)2-KNO3-NaNO3-LiNO3和SiO2纳米颗粒复合制备成纳米流体，在获得最高比热的添加量下研究了纳米流体热导率的变化。发现熔盐纳米流体的热导率随着温度的升高而升高，在200～350 ℃内，平均热导率为0.528 W/(m·K)。然而，由于自然对流和辐射的干扰，实验方法很难准确获得高温下熔盐的本征热导率等热物性参数。

分子动力学模拟是研究高温熔融状态下熔盐结构和热物性的有效方法之一。Yu等[10]设计了一种单壁碳纳米管(SWCNT)和NaCl熔盐纳米流体，以Born-Mayer-Huggins(BMH)和Lennard-Jones(LJ)势描述NaCl和SWCNT纳米颗粒之间的相互作用，采用分子动力学方法研究了纳米颗粒的加入对熔盐纳米流体的结构、热导率、熔化焓和比热容等热物性的影响。Xian等[11]利用BMH、LJ和Buckingham势研究了SiO2纳米颗粒掺杂对NaCl-KCl纳米流体热物理性质的影响。发现当SiO2纳米颗粒的体积分数为1%和5%时，纳米流体的热导率分别提高了12.15%和25.28%，黏度分别提高了22.21%和60.92%。

目前对熔盐纳米流体的模拟研究集中在热物性方面，对熔体结构的研究较少，亟待开展高温熔盐纳米流体微观结构与热物性的研究工作，理清结构对热物性的影响机制。本工作以Al2O3纳米颗粒为掺杂物，二元氯化物熔盐LiCl-KCl为基体构建了可用于中高温传热蓄热领域的熔盐纳米流体，采用分子动力学方法研究了熔盐纳米流体的微观结构和热物性参数，并分析了纳米颗粒的加入对体系微观结构和热物性能的影响。

1 模型构建和方法

1.1　模型构建

首先根据二元共晶熔盐体系中LiCl和KCl的物质的量比(59.5∶40.5)确定Li+、K+和Cl-的数量，分别为2380、1620和4000个。然后，在Materials Studio软件中构建Li+、K+和Cl-的模型，使用Amorphous Cell Tools模块将三种离子随机分散在立方体盒子中，为了消除尺寸效应的影响，调整盒子Lx 、Ly 和Lz 长度比约为1∶1∶2以构建LiCl-KCl物理模型。采用Build Nanostructure模块中的Nanocluster功能，选用Structures库中的Al2O3原胞模型，根据掺杂量构建Al2O3纳米颗粒。最后，保持LiCl-KCl模型中的离子数量和体积不变，Al2O3纳米颗粒位于盒子中心，使用Build Layers功能将Al2O3纳米颗粒添加到LiCl-KCl体系中，获得Al2O3/(LiCl-KCl)熔盐纳米流体模型，如图1所示。掺杂质量分数为0%、2%和5%的模拟体系分别命名为NF0、NF1和NF2，其盒子Lx 和Ly 均为5.69 nm，而Lz 分别为11.38 nm、14.25 nm和14.69 nm，包含的离子数分别为8000、8215和8570个。Li、K、Cl、Al和O原子的电荷值分别为+1、+1、+2、+1.8和-1.2。

图1

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图1   模拟体系

Fig. 1   Simulation systems


1.2　力场

采用BMH势描述Al2O3/(LiCl-KCl)纳米流体中离子间的相互作用，如式(1)所示[12-14]。

Uuv=quqvruv+Auvexpσuv-ruvρ-Cuvruv6-Duvruv8

式中，第一项是具有长程作用特性的库仑静电力，第二项是离子靠近时以BMH形式存在的短程斥力，最后两项表示极性分子间作用力。熔盐纳米流体的势参数根据Larsen等[15-16]描述的混合规则获得，如表1所示。

表1   LiCl-KCl和Al2O3 的BMH势参数[17-18]

Table 1  BMH parameters for LiCl-KCl and Al2O3[17-18]

PairAij /(kcal/mol)ρij /nmσij /nmCij /(nm6·kcal/mol)Dij /(nm8·kcal/mol)
Li-Li9.72660.034250.16321.0504×10-60.4317×10-8
Li-K7.6890.033960.22791.91641×10-51.22097×10-7
Li-Cl6.6870.034250.24012.87769×10-53.45326×10-7
K-K6.07820.033670.29263.49639×10-43.453225×10-6
K-Cl4.86260.033670.30486.90645×10-41.050356×10-5
Cl-Cl3.64730.034020.3171.6757854×10-33.3659592×10-5
Al-Al0.0667830.00680.157043.23548×10-40
Al-O0.1727150.01640.260677.9621×10-40
O-O0.2763440.02630.36431.959372×10-30

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1.3　模拟方法和细节

首先使用Materials Studio软件构建纳米流体模型，之后在LAMMPS中进行模拟计算。采用周期性边界条件来消除边界效应，截断半径略小于模拟盒子最小边长的一半，设置为2 nm，通过将pppm的精度设置为1.0×106来处理长程相互作用以消除截断误差，模拟时间步长为1 fs。体系在NPT系综中从600 K快速升温至1600 K，然后以200 K/ns的降温速率冷却至目标温度，并在每个目标温度点下平衡1 ns，压力固定在目标温度附近0.1 MPa，确定温度和应力松弛率的阻尼参数分别设置为100 fs和500 fs。

在NPT系综的平衡过程中，计算熔盐纳米流体的密度；当模拟体系达到平衡后，得到每个目标温度点下的平衡体系。然后，将NPT系综转换为NVT系综，执行1 ns，得到径向分布函数，配位数和热扩散特性；采用逆非平衡分子动力学(reverse non-equilibrium molecular dynamics，RNEMD)法[19]计算黏度，通过交换动量产生速度梯度。模拟体系首先在NVT系综中平衡1 ns，之后转换为NVE系综，将动量交换频率设置为200时间步长继续执行5 ns，待体系速度分布满足线性响应条件后，输出统计结果；热导率计算同样采用RNEMD法，但与黏度的计算不同，热导率是通过交换动能产生温度梯度，动能交换频率设置为400时间步长。模拟体系首先在NVT系综中的目标温度下平衡1 ns，然后将NVT系综转换为NVE系综，继续执行8 ns，当温度梯度满足线性响应条件时，统计相关计算参数。

2 结果与讨论

2.1　微观结构

径向分布函数(radial distribution function，RDF)和配位数N(r)是研究物质微观结构有序性的重要参数，其定义分别如式(2)和(3)所示。

guvr=14πρvr2dNuvrdr
Nuvr=4πρv∫0rminguvrr2dr

图2为熔盐纳米流体中Li-Cl的RDF图。RDF均表现出如下特征：第一峰后的波动幅度逐渐趋于平缓，并在更远处趋于1，这表明纳米流体在熔融状态下呈现出明显的短程有序、长程无序的非晶结构。当温度升高时，gLi-Cl(r)的第一峰逐渐向左移动，且峰高降低。这表明随着温度的升高，阴阳离子间距离的减小，中心离子Li+第一配位层内配体Cl-的数量逐渐减少，阴阳离子间的缔合作用逐渐减弱，结构变得松散。同时研究了Al2O3纳米颗粒掺杂对熔盐纳米流体微观结构的影响，如图3所示。当温度为1400 K时，随着掺杂量的增加，gLi-Cl(r)第一峰逐渐向左移动，且峰高变高，相应位置上的配位数N(r)也逐渐增大，说明Al2O3纳米颗粒的加入使纳米流体中阴阳离子间的距离减小，中心离子Li+第一配位层内配体Cl-的数量逐渐增多，阴阳离子间的缔合作用增强，结构变得更加致密。

图2

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图2   熔盐纳米流体中Li-Cl的RDF

Fig. 2   RDF of Li-Cl in molten salt nanofluids


图3

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图3   1400 K时熔盐纳米流体中Li-Cl的微观结构

Fig. 3   The microstructure of Li-Cl in molten salt nanofluids at 1400 K


2.2　热扩散特性

采用自扩散系数D表征Al2O3纳米颗粒布朗运动引起的基液微对流效应对纳米流体热导率的影响[20-22]。基于爱因斯坦关系，均方位移(mean square displacements，MSD)和自扩散系数D的计算如式(4)和(5)所示。

Mu(t)=r(t)-r02
Du=16dMu(t)dt

式中，Mu (t)是体系中u型粒子在时间t内的MSD，Du 为体系中u型粒子的自扩散系数。

图4统计了1000 ps内不同温度下的MSD和自扩散系数D。体系的MSD均随统计时间呈线性变化，且随温度的升高而增大，说明纳米流体中原子的扩散能力随温度升高而增强。自扩散系数D随温度的升高而增加。当温度从700 K增加到1400 K时，NF0、NF1和NF2的自扩散系数D分别从2.15×10-9 m2/s、2.14×10-9 m2/s和1.92×10-9 m2/s增加到19.65×10-9 m2/s、18.89×10-9 m2/s和17.57×10-9 m2/s。但是，熔盐纳米流体的自扩散系数D随Al2O3纳米颗粒掺杂量的增加而减小，1400 K时，NF1和NF2的自扩散系数D分别降低3.83%和10.58%，这表明纳米流体中存在微对流效应。

图4

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图4   熔盐纳米流体的热扩散特性

Fig. 4   Thermal diffusion characteristics of molten salt nanofluids


2.3　密度

熔盐纳米流体密度随温度的变化如图5所示。其中，二元氯化物熔盐密度的模拟值与Williams等[23]和Van等[24]的实验值相比最大误差分别为11.49%和11.72%，且与Van实验值的变化趋势一致；与Xie等[18]和王佳等[25]的结果相比，最大误差分别为0.72%和1.25%，表明本工作构建的物理模型和采用的势参数是合理的。在700～1400 K温度范围内，熔盐纳米流体的密度随温度的升高而线性降低。另外，Al2O3纳米颗粒的加入使二元氯化物熔盐的密度略有增加，这与Yu等[10, 26]的研究结果也是一致的。当Al2O3纳米颗粒的添加量分别为质量分数2%和5%时，对应的熔盐纳米流体的密度分别增加了1.10%和2.95%，拟合得到密度关联式，如式(6)所示。

图5

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图5   熔盐纳米流体的密度随温度的变化

Fig. 5   Density of molten salt nanofluids varies with temperature


ρ0=-0.0005T+1.90450g/cm3R2=0.99ρ1=-0.0005T+1.91625g/cm3R2=0.99ρ2=-0.0005T+1.93250g/cm3R2=0.99

2.4　黏度

黏度的计算如式(7)所示。

η=-∑transfermvxhot-vxcold2tLxLy∂vx/∂z

式中，分子项表示模拟体系在t时间内动量交换量，t表示动量的交换时间，Lx 和Ly 表示模拟盒子在x和y方向上的长度，∂vx /∂z表示模拟系的x方向速度在z轴方向的速度梯度。

熔盐纳米流体在1000 K时的速度分布如图6(a)所示，可知速度分布满足线性响应条件，这表明采用RNEMD法计算得到的黏度值是可靠的。熔盐纳米流体黏度随温度的变化如图6(b)所示。其中，NF0黏度的模拟值与文献值的吻合度很高，与Williams等[23]和Zhang等[27]的实验值误差最大分别为10.55%和11.90%，最小分别为1.92%和1.86%；700 K时，与Xie等[18]实验值的误差仅为0.60%，再次验证了本模拟的准确性。熔盐纳米流体的黏度随温度的升高而减小，这是因为温度的升高减弱了阴阳离子间的缔合作用，使得熔盐纳米流体抵抗剪切变形的能力减弱，在宏观上呈现出黏度降低。但随Al2O3纳米颗粒掺杂量的增加而逐渐增加，这是因为Al2O3纳米颗粒的添加增强了阴阳离子间的缔合作用，在宏观上呈现出黏度增加。在700 K时，NF1和NF2的黏度较NF0分别增加了16.83%和12.40%。整体来看，较低温度(1000 K)下，掺杂带来的阴阳离子间缔合作用的增强效应高于温度带来的阴阳离子间缔合作用的减弱效应，因此黏度随纳米颗粒掺杂量的增加而增加，但随着温度的升高，纳米颗粒掺杂带来的黏度升高效应逐渐减弱。这表明随着温度的升高，掺杂带来的阴阳离子间缔合作用的增强效应逐渐和温度带来的阴阳离子间缔合作用的减弱效应持平，宏观上表现为黏度趋于一致。

图6

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图6   (a) 1000 K时，二元氯化物熔盐的速度分布；(b) 熔盐纳米流体的黏度随温度的变化

Fig. 6   (a) Velocity distribution of binary chloride salt at 1000 K; (b) Viscosity of molten salt nanofluids varies with temperature


2.5　热导率

同样采用RNEMD法计算热导率，如式(8)所示。

λ=-∑transferm2vhot2-vcold22tLxLy∂T/∂z

式中，负号表示热流方向与温度梯度方向相反，分子项表示时间t内动能的交换量，t表示动能的交换时间，Lx 和Ly 表示模拟盒子在x和y方向上的长度，∂T/∂z表示模拟系统在z轴方向的温度梯度。

熔盐纳米流体热导率随温度的变化如图(7)所示。为了验证热导率计算所采用的RNEDM法和势参数的合理性，首先计算了NF0的热导率。模拟得到的NF0的热导率与Xie等[18]的结果误差最大为13.16%，最小为0.60%，这再次表明所选取的模拟方法和力场类型是有效的。在此基础上，分别计算了掺杂量为2%和5%(质量分数)熔盐纳米流体的热导率。熔盐纳米流体的热导率随温度的升高而降低，但随Al2O3纳米颗粒含量的增加而逐渐增大。900 K时，NF1和NF2的热导率与NF0相比分别提高了3.96%和4.95%。另外，在700 K和1300 K时，NF1热导率的增强幅度为3.63%和2.08%，而自扩散系数的降低幅度为0.56%和3.31%。自扩散系数D和热导率关于掺杂量和温度的变化关系均呈现出相反的趋势，表明自扩散系数D和热导率之间没有直接对应关系，即微对流不是引起熔盐纳米流体热导率增强的原因。

图7

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图7   熔盐纳米流体的热导率随温度的变化

Fig. 7   Thermal conductivity of molten salt nanofluidics varies with temperature


3 结论

本工作基于BMH势函数和RNEMD法研究了Al2O3纳米颗粒掺杂对LiCl-KCl熔盐微观结构和热物性参数的影响，主要结论为：①Al2O3纳米颗粒的添加减小了阴阳离子间的距离，增强了缔合作用；②熔盐纳米流体的MSD随温度的升高而增大，自扩散系数D则随Al2O3纳米颗粒质量分数的增加而降低。纳米流体中存在微对流效应，但它不是纳米流体热导率增强的原因；③当Al2O3纳米颗粒的质量分数从0%增加到5%时，熔盐纳米流体的密度、黏度和热导率最大分别提高了2.95%、16.83%和4.95%。这些结果阐明了纳米颗粒对熔盐纳米流体结构和热物性能的影响机制，为优选性能卓越的熔盐纳米流体提供了途径，并完善了熔盐纳米流体热物性的数据库。

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