液體光學(xué)常數(shù)的實(shí)驗(yàn)研究及分子動(dòng)力學(xué)模擬.pdf

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1、國(guó)內(nèi)圖書(shū)分類號(hào)：TK121學(xué)校代碼：10213國(guó)際圖書(shū)分類號(hào)：539.2密級(jí)：公開(kāi)工學(xué)博士學(xué)位論文液體光學(xué)常數(shù)的實(shí)驗(yàn)研究及分子動(dòng)力學(xué)模擬博士研究生：王程超導(dǎo)師：譚建宇教授申請(qǐng)學(xué)位：工學(xué)博士學(xué)科：工程熱物理所在單位：能源科學(xué)與工程學(xué)院答辯日期：2018年6月授予學(xué)位單位：哈爾濱工業(yè)大學(xué)ClassifiedIndex:TK121U.D.C.:539.2DissertationfortheDoctoralDegreeinEngineeringEXPERIMENTALRESEARCHANDMOLECULARDYNAMICSSIMULATIONOFOPTICALCONST

2、ANTSOFLIQUIDSCandidate：WangChengchaoSupervisor：Prof.TanJianyuAcademicDegreeAppliedfor：DoctorofEngineeringSpeciality：EngineeringofThermophysicsUnit：SchoolofEnergyScienceandEngineeringDateofDefence：June,2018Degree-Conferring-Institution：HarbinInstituteofTechnology摘要摘要液體廣泛存在于自然界和工業(yè)生產(chǎn)中，如

3、液態(tài)水等無(wú)機(jī)液體，植物油、礦物油、生物柴油、醇類液體等有機(jī)液體，鹽水、海水等混合液體等。它們的溫度相關(guān)光學(xué)常數(shù)和其他輻射物性參數(shù)在遙感探測(cè)、航空航天、能源動(dòng)力、化工和生物等多個(gè)領(lǐng)域具有重要應(yīng)用。然而由于液體具有流動(dòng)性和選擇吸收性，各種液體光學(xué)常數(shù)實(shí)驗(yàn)測(cè)量方法的測(cè)量波段和應(yīng)用條件受到限制，且加溫加壓測(cè)量難以實(shí)現(xiàn)；另一方面，理論計(jì)算方法，如分子動(dòng)力學(xué)方法和第一性原理分子動(dòng)力學(xué)方法等，在研究液體光學(xué)常數(shù)溫度依賴性方面的應(yīng)用并不成熟。液體光學(xué)常數(shù)數(shù)據(jù)，特別是不同溫度下的光學(xué)常數(shù)數(shù)據(jù)相對(duì)匱乏，已嚴(yán)重限制了液體在遙感探測(cè)、能源動(dòng)力等領(lǐng)域的應(yīng)用。因此開(kāi)展液體光學(xué)常數(shù)的實(shí)驗(yàn)研究

4、及分子動(dòng)力學(xué)模擬有重要的理論意義和應(yīng)用價(jià)值。本文應(yīng)用實(shí)驗(yàn)測(cè)量和第一性原理分子動(dòng)力學(xué)、分子動(dòng)力學(xué)、全原子-粗?；肿觿?dòng)力學(xué)結(jié)合法等理論模擬方法獲得液體的溫度相關(guān)光學(xué)常數(shù)，為液體的相關(guān)研究提供數(shù)據(jù)支撐。實(shí)驗(yàn)測(cè)量方面，提出可見(jiàn)光-近紅外波段液體光學(xué)常數(shù)測(cè)量的“液體/硅片”橢偏-透射結(jié)合法和中紅外波段液體光學(xué)常數(shù)測(cè)量的“棱鏡/液體”橢偏-透射結(jié)合法，建立考慮界面間多次反射的橢偏和透射測(cè)量數(shù)學(xué)模型；理論計(jì)算方面，應(yīng)用第一性原理分子動(dòng)力學(xué)方法計(jì)算液體溫度和壓力相關(guān)的介電函數(shù)和吸收光譜；此外，從分析原子受力的角度出發(fā)，推導(dǎo)全原子-粗粒化分子動(dòng)力學(xué)混合方法框架下的液體介電函數(shù)計(jì)

5、算方案，并對(duì)方案進(jìn)行驗(yàn)證。主要工作包括：液體在可見(jiàn)光-近紅外波段的光學(xué)常數(shù)在液體成分的定性和定量分析、油脂摻雜量分析和海面艦艇探測(cè)等方面具有重要應(yīng)用。本文以去離子水為例驗(yàn)證了所提出的“液體/硅片”橢偏-透射結(jié)合測(cè)量方法，并應(yīng)用該方法測(cè)量了五種二元鹽溶液的濃度相關(guān)光學(xué)常數(shù)。測(cè)量結(jié)果表明，指定波長(zhǎng)下二元鹽溶液折射率和吸收指數(shù)均隨濃度增加大致呈線性增大趨勢(shì)。本文給出了能夠預(yù)測(cè)混合鹽溶液波長(zhǎng)和濃度相關(guān)光學(xué)常數(shù)的折射率混合規(guī)則和吸收指數(shù)混合規(guī)則，并以“液體/硅片”橢偏-透射結(jié)合法測(cè)量得到多元混合鹽溶液不同濃度的光學(xué)常數(shù)為例驗(yàn)證上述混合規(guī)則。經(jīng)過(guò)驗(yàn)證，所給出的混合規(guī)則能夠較

6、好預(yù)測(cè)指定濃度和波長(zhǎng)下的混合鹽溶液折射率和吸收指數(shù)，是一種計(jì)算混合鹽溶液折射率和吸收指數(shù)的簡(jiǎn)便方法。此外，應(yīng)用雙光程透射法測(cè)量了菜籽油、玉米油和生物柴油的溫度相關(guān)光學(xué)常數(shù)。測(cè)量結(jié)果表明，菜籽油、玉米油和生物柴油的折射率均隨溫度升高而減小，各波段溫度對(duì)油類吸收指數(shù)的影響規(guī)律并不一致。-I-哈爾濱工業(yè)大學(xué)工學(xué)博士學(xué)位論文為實(shí)現(xiàn)液體中紅外波段光學(xué)常數(shù)的橢偏測(cè)量，本文設(shè)計(jì)并制造了一種棱鏡液體池用以盛裝液體，并建立了考慮多次反射的“棱鏡-待測(cè)液體”系統(tǒng)反射率模型和橢偏參數(shù)計(jì)算模型；對(duì)于吸收較弱的波段，橢偏法無(wú)法給出準(zhǔn)確的吸收指數(shù)數(shù)值，因此該種情況下應(yīng)用透射法進(jìn)行測(cè)量；應(yīng)用

7、“棱鏡/液體”橢偏-透射結(jié)合法測(cè)量了棕櫚油、棕櫚油生物柴油、0#柴油、煤油、乙醇、異丙醇和正丁醇等有機(jī)液體不同溫度的光學(xué)常數(shù)。在本文研究的溫度和波長(zhǎng)范圍內(nèi)，所測(cè)量有機(jī)液體的折射率和主要吸收峰處的吸收指數(shù)均隨溫度的升高而減小。對(duì)測(cè)量得到有機(jī)液體折射率的溫度依賴性進(jìn)行了線性擬合，擬合結(jié)果同實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果的偏差較小。為突破實(shí)驗(yàn)研究在測(cè)量工況等方面的限制，本文借助理論計(jì)算的方法以獲得極端工況下液體的光學(xué)常數(shù)。本文以水和重水為研究對(duì)象驗(yàn)證了Car-Parrinello分子動(dòng)力學(xué)(CPMD)方法的可靠性，并應(yīng)用Kühne等人提出的第二代CPMD方法計(jì)算了紅外波段正丁醇的溫度相

8、關(guān)介電函數(shù)以及甲醇的溫度