界面微觀特性的分子動(dòng)力學(xué)模擬研究.pdf

1、本論文的主要目的是利用分子動(dòng)力學(xué)模擬方法(Molecular Dynamic Simulation，簡(jiǎn)稱MD）從微觀上系統(tǒng)地研究相變及界面現(xiàn)象。
　　相變是工程中常見的物理現(xiàn)象，相界面是不同相間的邊界面。由于界面非常薄，在許多場(chǎng)合下僅有幾個(gè)分子直徑厚，因而常被忽略而將其想像為一個(gè)沒有厚度的幾何面。但正是這一薄薄的界面的存在，對(duì)界面區(qū)的熱力學(xué)特性及其附近的流動(dòng)和輸運(yùn)、化學(xué)過程產(chǎn)生了重要的影響。近幾年來，國(guó)內(nèi)外對(duì)界面性質(zhì)及相間輸運(yùn)現(xiàn)象

2、的研究非常活躍，界面現(xiàn)象的探索長(zhǎng)期以來都是科學(xué)研究的一個(gè)重點(diǎn)領(lǐng)域。
　　本論文借助分子動(dòng)力學(xué)模擬方法，從微尺度上全面系統(tǒng)地研究界面層的物理特性和流體宏觀特性與微觀特性之間的關(guān)系，找出了宏觀現(xiàn)象對(duì)應(yīng)的微觀圖象，使我們能更好地把握現(xiàn)象的本質(zhì)，以豐富理論、指導(dǎo)實(shí)踐。
　　本論文所作的主要工作如下：
　?、僭敿?xì)闡述了分子動(dòng)力學(xué)模擬的原理和關(guān)鍵技術(shù)，構(gòu)造了分子動(dòng)力學(xué)模擬方法的計(jì)算程序。以LJ流體氬、甲烷和強(qiáng)極性物質(zhì)水為例，計(jì)算了

3、流體的飽和特性，確定了飽和壓力與溫度的相互關(guān)系。并通過與實(shí)際氣體狀態(tài)方程的計(jì)算結(jié)果及相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)值進(jìn)行了比較，證明了分子動(dòng)力學(xué)模擬方法在模擬氣體物性上是成功的，并對(duì)現(xiàn)有實(shí)際氣體狀態(tài)的正確性利用MD方法進(jìn)行了對(duì)比、驗(yàn)證。另外，運(yùn)用曾丹苓教授提出的用分?jǐn)?shù)布朗函數(shù)作為描寫實(shí)際流體分子無規(guī)則運(yùn)動(dòng)的概率密度函數(shù)的理論，獲取了分子動(dòng)力學(xué)模擬中大量的分子運(yùn)動(dòng)的微觀信息，定量描述了實(shí)際氣體偏離理想氣體的程度。
　?、谟肕D方法研究了氣-液相平衡。發(fā)

4、現(xiàn)此時(shí)除氣、液兩相外，還存在一個(gè)各向異性的界面相。本文仔細(xì)地研究了界面相中流體粒子的數(shù)密度分布、溫度分布及法向切向應(yīng)力分布，計(jì)算了表面張力。在氣-液界面特性的分子動(dòng)力學(xué)模擬方法研究中，由于界面層存在各向異性，本文特別分析了勢(shì)能截?cái)喟霃降倪x取對(duì)均勻相中飽和氣體和飽和液體的密度以及非均勻相中表面張力的影響，提出了一種能夠同時(shí)滿足均勻相中飽和氣體、飽和液體密度和非均勻相中表面張力計(jì)算要求的截?cái)喟霃竭x取方法-變截?cái)喟霃剿惴?。此算法克服了傳統(tǒng)模擬

5、方法中統(tǒng)一的截?cái)喟霃讲豢赡芡瑫r(shí)滿足均勻相中和非均勻相中相關(guān)參數(shù)的計(jì)算精度要求的缺點(diǎn)，提高了計(jì)算精度，節(jié)約了計(jì)算時(shí)間；并將該算法運(yùn)用在分子動(dòng)力學(xué)模擬中，進(jìn)一步分析了漲落現(xiàn)象對(duì)非均勻相的影響。
　?、墼谙嘧冞^程界面現(xiàn)象的研究中，本論文從平界面的相平衡發(fā)展到球界面的相平衡研究，從微觀尺度上分析研究了納米液滴蒸發(fā)、冷卻凝固的微觀過程。以徑向分布函數(shù)理論為基礎(chǔ)，更為詳細(xì)地探究了納米液滴在蒸發(fā)和冷卻凝固過程中界面現(xiàn)象及過程的微觀機(jī)制。并從微尺

6、度液滴的模擬中獲取了相應(yīng)的宏觀性質(zhì)，這將為探索宏觀系統(tǒng)尚未知或未確定的物理性質(zhì)打下基礎(chǔ)。
　?、鼙菊撐难芯苛朔肿觿?dòng)力學(xué)模擬中固壁對(duì)流體分子的影響。在固-液界面特性的分子動(dòng)力學(xué)模擬研究中，本文提出了修正的半經(jīng)驗(yàn)固-液分子作用勢(shì)函數(shù)，引入了固-液分子作用力耦合參數(shù)?和?，分析了耦合參數(shù)?和?對(duì)作用勢(shì)函數(shù)的影響；建立了固體壁面對(duì)液體分子作用的數(shù)學(xué)模型；發(fā)現(xiàn)在緊靠壁面處存在一個(gè)兼有固體和液體特征的一層，我們稱之為“擬有序?qū)印薄１菊撐难芯苛?/p>

7、固體和液體不同的物性參數(shù)對(duì)固體近表面流體擬有序?qū)拥挠绊?，進(jìn)而研究了擬有序?qū)又械姆肿优挪?、分子雙體分布函數(shù)及分子的運(yùn)動(dòng)特征，為研究相關(guān)現(xiàn)象提供了必要的微觀分析基礎(chǔ)。最后，結(jié)合工程需要研究了由兩個(gè)固壁構(gòu)成的納米通道中受限流體的特性、輸運(yùn)和流動(dòng)行為并與其相應(yīng)的宏觀特性進(jìn)行了比較。文中繪出了窄通道內(nèi)分子排布規(guī)律，雙體分布函數(shù)的變化，分子運(yùn)動(dòng)情況的空間軌跡及時(shí)間譜分析，得到一些具有鮮明物理意義的有趣的結(jié)論。為研究窄通道內(nèi)物質(zhì)的特殊行為例如其所表現(xiàn)