分子动力学-液态氩相变问题仿真

氩流体扩散行为的分子动力学模拟研究李群;王宝和【摘要】采用分子动力学模拟技术(MD),利用L-J势能模型,研究了非受限空间和受限空间中,氩流体的扩散行为.考察了非受限空间中截断半径、粒子数、温度和受限空间中能量系数、狭缝宽度及温度等对氩流体自扩散系数的影响.模拟结果表明,在非受限空间中,氩流体的自扩散系数随温度升高而逐渐增大,其随温度的变化规律符合Arrhenius方程.在受限空间中,随着能量系数的增大和狭缝宽度的减小,氩流体自扩散系数逐渐减小；温度对氩流体自扩散系数的影响规律与非受限空间的类似.在相同温度下,受限空间氩流体的自扩散系数比非受限空间的要低.【期刊名称】《河南化工》【年(卷),期】2013(030)015【总页数】5页(P31-35)【关键词】分子动力学;氩流体;自扩散系数;受限空间【作者】李群;王宝和【作者单位】大连理工大学化工学院,辽宁大连116024;大连理工大学化工学院,辽宁大连116024【正文语种】中文【中图分类】TQ116.43扩散系数是表征物质运输过程的重要参数，但采用常规实验手段很难准确测量得到。

对于受限空间的流体，扩散系数的研究更加困难。

随着计算机和分子动力学模拟技术的发展，从分子水平研究流体的扩散规律已经引起了国内外许多学者的极大关注［1－3］。

Meier等采用平衡分子动力学方法，模拟得到了Lennard－Jones(L－J)流体的自扩散系数和黏度［2］。

葛宋和陈民采用平衡分子动力学方法，通过均方位移计算得到了超临界条件下，L－J流体的自扩散系数随温度的变化规律;同时，利用Green－Kubo法计算了超临界L－J流体混合物的扩散性质［4］。

本文拟采用L－J模型，探究非受限空间中温度、截断半径、模拟粒子数和受限空间中能量系数、狭缝宽度及温度对氩流体自扩散系数的影响。

1 模拟方法目前，采用分子动力学模拟技术，计算自扩散系数的方法主要有两种，即Green－Kubo法和Einstein法，分别如式(1)和(2)所示［1］。

分子动力学模拟分子动力学是一门结合物理，数学和化学的综合技术。

分子动力学是一套分子模拟方法，该方法主要是依靠牛顿力学来模拟分子体系的运动，以在由分子体系的不同状态构成的系统中抽取样本，从而计算体系的构型积分，并以构型积分的结果为基础进一步计算体系的热力学量和其他宏观性质。

这门技术的发展进程是：1980年：恒压条件下的动力学方法（Andersenの方法、Parrinello-Rahman法）1983年：非平衡态动力学方法(Gillan and Dixon)1984年：恒温条件下的动力学方法（能势‐フーバーの方法）1985年：第一原理分子动力学法（→カー・パリネロ法）1991年：巨正则系综的分子动力学方法(Cagin and Pettit).最新的巨正则系综，即为组成系综的系统与一温度为T、化学势为μ的很大的热源、粒子源相接触，此时系统不仅同热源有能量交换，而且可以同粒子源有粒子的交换，最后达到平衡，这种系综称巨正则系综。

进行分子动力学模拟的第一步是确定起始构型，一个能量较低的起始构型是进行分子模拟的基础，一般分子的其实构型主要是来自实验数据或量子化学计算。

在确定起始构型之后要赋予构成分子的各个原子速度，这一速度是根据玻尔兹曼分布随机生成，由于速度的分布符合玻尔兹曼统计，因此在这个阶段，体系的温度是恒定的。

另外，在随机生成各个原子的运动速度之后须进行调整，使得体系总体在各个方向上的动量之和为零，即保证体系没有平动位移。

由上一步确定的分子组建平衡相，在构建平衡相的时候会对构型、温度等参数加以监控。

进入生产相之后体系中的分子和分子中的原子开始根据初始速度运动，可以想象其间会发生吸引、排斥乃至碰撞，这时就根据牛顿力学和预先给定的粒子间相互作用势来对各个例子的运动轨迹进行计算，在这个过程中，体系总能量不变，但分子内部势能和动能不断相互转化，从而体系的温度也不断变化，在整个过程中，体系会遍历势能面上的各个点，计算的样本正是在这个过程中抽取的。

分子动力学仿真简介分子动力学（Molecular Dynamics，简称MD）是一种通过计算机模拟分子粒子的运动，以研究物质的性质和行为的方法。

它基于牛顿力学的运动方程，通过数值积分来模拟分子的运动和相互作用，从而得到物质在原子尺度上的行为。

分子动力学仿真是基于分子动力学原理，使用计算机进行的模拟实验。

通过对原子或分子之间的运动进行建模和计算，可以研究物质的结构、动力学过程和热力学性质等。

分子动力学原理分子动力学原理基于牛顿力学，通过牛顿第二定律推导出分子的运动方程。

运动方程的求解是通过数值积分的方法进行的。

在分子动力学模拟中，计算机程序会根据给定的初始状态和相互作用势函数，在微观上模拟出分子粒子的运动和相互作用，从而模拟宏观物质的行为。

分子动力学模拟中最重要的步骤是更新每个粒子的位置和速度。

这一步骤需要计算每个粒子受到的力，并根据牛顿第二定律计算其加速度、速度和位置的变化。

通常，粒子之间的相互作用势函数会根据分子的类型和模拟的系统进行选择。

常见的相互作用势函数包括Lenanrd-Jones势和Coulomb势等。

分子动力学仿真的步骤分子动力学仿真通常包括以下几个步骤：1.系统的初始化：设定初始状态，包括粒子的初始位置和速度等。

通常，初始位置可以通过从实验数据或数学模型中获得的结构来得到，而速度可以通过从温度分布或速度分布得到的随机数生成。

2.动力学计算：根据牛顿运动方程，计算每个粒子受到的力，并通过数值积分方法更新粒子的位置和速度。

通常，采用的数值积分方法包括Euler法、Verlet法和Leapfrog法等。

3.相互作用势的计算：根据设定的相互作用势函数，计算每个粒子之间的相互作用能。

常见的相互作用势函数包括Lenanrd-Jones势和Coulomb势等。

4.热力学性质的计算：通过对系统的动力学计算，可以获得系统的热力学性质，如温度、压力和能量等。

这些性质可以通过统计平均的方法进行计算，例如计算平均速度、平均动能和平均势能等。

氩气的量子化学和分子动力学研究氩（Ar）是一种化学元素，属于惰性气体，它具有高电离电位，低电子极性，惰性和低相互作用能量等特性。

这种元素的化学性质对于研究物理化学、材料科学、化学工程等领域具有很大的意义。

本文将介绍氩气在量子化学和分子动力学领域的研究。

量子化学研究量子化学作为一种理论化学方法，主要是研究分子和原子的性质，特别是研究它们的电子结构和这些结构对分子和原子性质的影响。

氩气的量子化学研究主要是通过计算方法和理论方法对其电子结构进行了深入的探索。

首先，对于氩原子的电子结构，相信很多人都知道。

氩原子有18个电子，其中有两个在最外层，内壳层电子全部填满。

这意味着氩原子具有八个价电子，不容易与其他元素形成化合物。

使用量子力学来描述氩原子的电子结构时，可以采用原子轨道模型或是分子轨道模型。

在原子轨道模型中，氩原子的电子结构可以通过填充一系列能量量子数不同的轨道来描述。

其中，价电子层的轨道为ns和np。

对于氩原子来说，这些轨道全部填满，因此其电子结构稳定，不易发生反应。

另一种模型是分子轨道模型。

这种模型中，氩分子的电子结构可以使用波函数来表示。

通过量子力学原理，我们可以得到氩分子的分子轨道图。

氩气分子有三个单电子占据sigma（$σ$）键，三个单电子占据pi（$π$）键和一对电子形成sigma键。

这样的结构意味着，氩分子的电子结构具有空间对称性，因此角动量量子数是好量子数。

此外，这种分子结构也意味着，氩分子的气体具有强大的惰性，满足量子化学的一般规律。

除此之外，还有其他的方法可以用于描述氩气分子的电子结构。

例如，暴力猜想法、密度泛函理论等，这些方法也在氩气分子的电子结构研究中扮演重要角色。

分子动力学研究除了研究氩气的电子结构，还可以应用分子动力学模拟方法研究氩分子的力学性质。

分子动力学是一种计算方法，用于研究分子物理化学性质与反应，是描述微观分子运动的模拟方法。

通过计算和模拟来研究氩分子能量、速度、密度、压力和流体动力学等方面的特性。

分子模拟方法在液体相变研究中的应用商业计划书一、概述本商业计划书旨在探讨分子模拟方法在液体相变研究中的应用。

我们将介绍该方法的背景和意义，并提出一个基于分子模拟的液体相变研究项目，以期为相关领域的科研机构和企业提供先进的解决方案。

二、背景和意义液体相变是物质从液态向固态或气态的转变过程。

它在许多领域具有重要的应用，如能源储存、化学工程、材料科学等。

然而，液体相变的研究面临着一些挑战，例如实验条件的限制、数据获取的困难等。

因此，我们需要寻找一种有效的方法来解决这些问题。

分子模拟是一种基于计算机模拟的方法，可以通过模拟分子间相互作用来研究物质的性质和行为。

它可以提供详细的分子层面信息，帮助我们理解和预测液体相变的过程。

因此，分子模拟方法在液体相变研究中具有重要的应用潜力。

三、项目介绍基于以上背景和意义，我们提出了一个基于分子模拟的液体相变研究项目。

该项目旨在开发一种高效、准确的分子模拟方法，用于研究液体相变的机制和规律。

具体包括以下几个方面：1. 方法开发：我们将针对液体相变的特点和需求，开发一种适用于液体相变研究的分子模拟方法。

该方法将结合经典力场和量子化学计算，提高模拟的准确性和效率。

2. 模拟系统构建：我们将选择一些典型的液体相变系统，如水的冰化、液态金属的固化等，构建相应的模拟系统。

通过模拟这些系统，我们可以深入了解液体相变的机制和关键因素。

3. 数据分析和解释：我们将对模拟得到的数据进行分析和解释，揭示液体相变的规律和特征。

同时，我们还将与实验数据进行对比和验证，提高模拟结果的可靠性和可信度。

四、市场前景液体相变研究在能源、化工、材料等领域有广泛的应用前景。

通过分子模拟方法，可以更好地理解和预测液体相变的过程，为相关领域的科研机构和企业提供技术支持和解决方案。

因此，该项目具有良好的市场前景。

五、竞争分析目前，国内外已有一些研究机构和企业在液体相变研究领域开展工作。

然而，由于液体相变的复杂性和挑战性，仍然存在一些问题和局限性。

纳米氩液膜蒸发行为的分子动力学模拟研究王宝和;李瑞静;王维【摘要】采用非平衡分子动力学模拟技术,探讨模拟温度、能量系数、粗糙度因子、相面积分数等对纳米氩液膜蒸发行为的影响.模拟结果表明:纳米氩液膜在光滑壁面或纳米结构粗糙壁面上的蒸发,存在恒速蒸发和降速蒸发两个阶段;在各个蒸发阶段,蒸发通量相差不大;蒸发过程达到平衡后,纳米栏栅形粗糙壁面吸附的氩原子数最多,纳米方柱矩阵形的次之,光滑壁面的最少.对于光滑壁面上的纳米氩液膜蒸发,随着模拟温度的提高,恒速蒸发阶段的时间变短,蒸发通量迅速增大;在恒速蒸发阶段,能量系数对蒸发通量几乎没有影响;在降速蒸发阶段,随着能量系数的增加,固体壁面吸附的氩流体分子数增大.对于纳米栏栅形粗糙壁面上的纳米氩液膜蒸发,随着粗糙度因子或相面积分数的增大,恒速蒸发阶段的时间增加,蒸发通量减小;当蒸发过程达到平衡后,固体壁面吸附的氩原子数增多.【期刊名称】《河南化工》【年(卷),期】2017(034)001【总页数】5页(P16-20)【关键词】纳米氩液膜;分子动力学;模拟;蒸发【作者】王宝和;李瑞静;王维【作者单位】大连理工大学化工学院,辽宁大连 116024;大连理工大学化工学院,辽宁大连 116024;大连理工大学化工机械与安全学院,辽宁大连 116024【正文语种】中文【中图分类】TB383;O561•开发与研究•众所周知，由于固体壁面上纳米薄液膜的厚度处于纳米尺度，使得其蒸发过程的实验研究工作难以开展，但随着计算机技术的迅猛发展，采用分子动力学(MD)模拟技术，对这样一个传递过程进行研究已经成为可能。

Yu等[1]利用分子动力学模拟技术，探讨了脱离压力对氩液膜蒸发—冷凝过程的影响，并获得了纳米薄液膜厚度的计算方法。

Hens等[2]利用分子动力学模拟方法，研究了氩纳米液膜在固体铂壁面上的蒸发和沸腾过程，探究了温度和固体表面润湿性的影响。

Shavik等[3]通过分子动力学模拟手段，研究了固—液之间的相互作用势能以及固—液界面润湿性(包括疏液性、亲液性和中性)对固体铂壁面上纳米氩液膜的蒸发和爆炸沸腾过程的影响规律。

分⼦动⼒学仿真7.3纳⽶切削中各种⼯艺参数的影响这⼀领域的⽆论是实验研究还是分⼦动⼒学模拟研究都已经相当受限。

⼀些参数，即是，前⾓，刃⼝半径和切削深度的影响下分⼦动⼒学模拟的结果介绍如下。

7.3.1前⾓的影响(a) 负前⾓在加⼯中很少使⽤⼤的负前⾓（＞—15°），⼤的负前⾓总是存在磨削过程中,Hahn引⼊的磨削⾥的摩擦颗粒假说是根据⼀些磨粒可以仅仅摩擦⼯作表⾯从⽽在后⼑⾯上产⽣⾼的摩擦⼒，但⼑具前⼑⾯没有切削⼒，⽽其他磨粒会参与切屑形成过程。

根据Hahn理论，如果在微尺度上磨削过程类似于铣削，应该没有理由认为磨削的⼒⽐与切削不同。

然⽽，在⽤正前⾓⼑具的⾦属切削中，推⼒通常⼤约是切削的⼀半，⽽在磨削过程中的推⼒是切削⼒的两倍。

因此，研究⽤较⼤的负前⾓⼑具加⼯过程极⼤地⽅便了模拟磨削过程。

图8a⾄f显⽰铜的纳⽶切削分⼦动⼒学模拟。

采⽤极其尖锐的，⽆限坚硬的⼑具并变换不同的负前⾓（从0⾄-75°）。

该图中显⽰出初始的⼑具和采⽤不同前⾓的⼑具在⼯件上移动⼀定的距离后被加⼯材料的变化。

⼑具尖端的塑性变形能被看见。

还可见有：切屑长度减少（或切屑厚度的增加），增加在越来越⼤的负前⾓下表⾯下的变形的程度耕犁作⽤增加。

此外，在加⼯材料中产⽣位错，加⼯表⾯的弹性恢复可以看出。

当前⾓改变⾄负值时，剪切带被发现朝向⼯作材料旋转，由于⼯作材料合⼒⽮量的旋转剪切⾓下降。

图9a和b显⽰随前⾓的变化每单位宽度的切削⼒和推⼒的变化以及推⼒与切削⼒的⽐。

图9b所⽰，Crawford和Merchant。

Kita 等给出传统切削中的各个不同前⾓结果。

Komanduri也是⼀致的结果。

由图9a可见，当前⾓从+10°朝向负前⾓减少时，推⼒迅速增加达到⼀75°的推⼒。

切削⼒也有增加的趋势。

但变化较慢。

当前⾓变化⾄⼤的负前⾓时推⼒与切削⼒的⽐率也在增加。

在前⾓为10°时，推⼒为0.6倍切削⼒。

分子动力学模拟仿真和可视化近年来，分子动力学模拟仿真技术和可视化技术的发展日益成熟，受到了学术界和工业界的广泛关注。

分子动力学模拟仿真是通过构建分子系统的模型，通过数值方法模拟系统中分子的运动规律，以便研究和预测分子的动力学性质，如能量、结构、运动轨迹等，从而揭示分子的内在规律。

可视化技术是在分子动力学模拟仿真基础上，通过图形化的方式展示分子的运动、构造和状态。

本文就分子动力学模拟仿真和可视化技术做一些介绍和探讨。

一、分子动力学模拟仿真技术1. 基本原理分子动力学模拟仿真的基本原理是运用牛顿运动定律，将分子构成的物质视为由一些粒子组成的集合体，把它们看做是相互之间的质点，应用经典力学及量子力学原理，构建出分子体系中粒子间相互作用的势能函数，并通过数值计算方法求解粒子运动的微分方程，以获得分子的运动轨迹和相关的能量信息。

通俗地说，就是用简单的物理原理模拟复杂的分子系统。

2. 应用领域分子动力学模拟仿真在材料科学、生命科学、环境科学、计算化学等领域有广泛应用。

比如，在新材料开发领域，可以通过分子动力学模拟仿真来预测材料物质的性能和寿命；在生物领域，可以用分子动力学模拟仿真来研究蛋白质折叠、分子传递等生物过程；在环境领域，可以通过分子动力学模拟仿真来研究大气污染、气体吸附等现象。

3. 发展趋势分子动力学模拟仿真技术在过去几十年中取得了巨大的发展，但也存在着一些局限性和挑战。

比如，在超大规模的分子体系模拟中，精度和效率是两个难以兼得的问题；在复杂化学反应和材料合成中，分子动力学模拟仿真面临着细节过多、难以准确刻画宏观现象等挑战。

因此，未来的发展方向是发展更加高效、准确、智能的模拟算法、逐步实现多尺度模拟，以及促进计算结果与实验结果相结合，推动分子动力学模拟仿真技术的应用和发展。

二、分子动力学模拟可视化技术1. 基本原理分子动力学模拟可视化技术是指用图形化的方式展示分子动力学模拟仿真计算结果的技术，将分子体系中的分子、粒子、化学键等物理信息用图形和动画的形式表现出来。