一种非平衡分子动力学模拟计算分子扩散系数的方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于微纳尺度分子模拟技术领域，涉及一种非平衡分子动力学模拟计算分 子扩散系数的方法。
【背景技术】
[0002] 吸附与吸收是化工分离的重要手段，广泛应用于⑶2回收、废气及废水处理领域。 而分子扩散是吸附及吸收的重要影响因素。采用分子模拟手段可从微观角度探讨分子扩散 过程的机理。
[0003] 目前采用分子模拟计算分子扩散系数主要采用双控制体积巨正则分子动力学 (DCV-GCMD)方法。然而，该方法存在着以下缺陷： 1)巨正则蒙特卡洛(GCMC)方法中插入删除的比例与分子动力学(MD)步相比不够大时， 将导致错误结果； 2 )由于DCV-GCMD模拟同时涉及GCMC与MD两个过程，模拟过程中会消耗大量的计算机 时，同时程序的编写难度也较大。
[0004]鉴于此，本发明旨在探索一种非平衡分子动力学模拟计算分子扩散系数的新方 法，以弥补DCV-GCMD方法的不足，提高计算效率。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的在于提供一种非平衡分子动力学模拟计算分子扩散系数的方法，该 方法能够单纯采用分子动力学模拟直接计算出混合物中各组分沿扩散方向的浓度梯度及 扩散通量，从而能够精确的计算出各组分的分子扩散系数。
[0006] 为达到以上目的，本发明提供如下技术方案： 一种非平衡分子动力学模拟计算分子扩散系数的方法，该方法包括以下步骤： S1:计算混合物(含组分1与组分2两种组分）中组分1在高浓度端与低浓度端的摩尔浓 度Ch与C1; S2:计算组分1在时间t内通过某一截面E的净分子数目N; S3:通过以下公式计算组分1的扩散系数D，
式中，N为通过截面E的净分子数目；L为高浓度端与低浓度端之间的距离;Να为阿伏伽 德罗常数;Α为截面Ε的横截面积;t为统计时间；(^与^分别表示组分1在高浓度区与低浓度 区的摩尔浓度。
[0007] 进一步，所述S1计算组分1在高浓度端与低浓度端的摩尔浓度Ch与ci，具体步骤如 下： 将系统沿扩散方向依次划分为低浓区、扩散区、高浓区、扩散区、低浓区共5个区域，高 浓区与低浓区的体积分别表示为Vh与Vi ;所述截面E位于扩散区（由于系统对称，仅考虑某 一扩散区中的截面即可）。在模拟初始时刻，将组分1与组分2等数量的放置于模拟盒子内； 模拟过程中实施以下步骤： 1) 每隔t时间间隔，在高浓度区内随机选取一个组分2的分子，在低浓度区内随机选取 一个组分1的分子，交换两分子位置，而各自保持速度不变； 2) 待系统达到稳态后，统计t时间内，组分1在高浓区与低浓区的平均分子数目Nh与见， 则组分1在高浓区与低浓区的浓度可由以下两式计筧：
所述S2计算组分1在时间t内通过某一截面E的净分子数目N，具体步骤如下： 系统达到稳态后，统计t时间内，组分1与组分2分子位置交换的次数Nc，则时间t内，通 过某一截面E的净分子数目Ν=Ν。"。
[0008] 本发明的优点在于： 本发明单纯采用非平衡分子动力学模拟计算分子扩散系数，与双控制体积巨正则分子 动力学(DCV-GCMD)模拟方法相比，该发明可有效提高模拟效率，并显著降低模拟程序编写 中的难度。
【附图说明】
[0009] 图1为本发明所述方法的流程图； 图2为统计组分1通过某一截面E的分子数目及其在高浓区和低浓区浓度的示意图。
【具体实施方式】
[0010] 为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图对本发明作进一 步的详细描述。
[0011] 本发明提供的单纯非平衡分子动力学模拟计算分子扩散系数的方法，如图1所示， 在模拟中为方便处理，系统沿x，y，z三个方向均设置为周期性边界条件;将系统沿X方向依 次划分为低浓区、扩散区、高浓区、扩散区、低浓区共5个区域，如图2所示，高浓区与低浓区 的体积分别表不为Vh与Vi。在模拟初始时刻，将组分1与组分2等数量的放置于模拟盒子内， 在模拟过程中，执行以下步骤： 1) 每隔h时间间隔，在高浓度区内随机选取一个组分2的分子，在低浓度区内随机选取 一个组分1的分子，交换两分子位置，而保持各自的速度不变； 2) 待系统达到稳态后，将沿扩散方向形成一稳定的浓度梯度。组分1将由高浓区向低浓 区扩散。统计t时间内，组分1在高浓区与低浓区的平均分子数目他与阶，则组分1在高浓区与 低浓区的浓度可由以下两式计算：
3) 统计t时间内，组分1与组分2分子位置的交换次数Nc，则t时间内，组分1通过某一截 面E的净分子数目Ν=Ν。"； 4) 通过以下方程计算组分1的分子扩散系数D，
式中，N为通过截面E的净分子数目；L为高浓度端与低浓度端之间的距离;Να为阿伏伽 德罗常数;Α为截面Ε的横截面积;t为统计时间；(^与^分别表示组分1在高浓度区与低浓度 区的摩尔浓度。
[0012]最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较 佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技 术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本 发明的权利要求范围当中。
【主权项】
1. 一种非平衡分子动力学模拟计算分子扩散系数的方法，其特征在于:包括W下步骤： 步骤1，计算包含组份1与组份2两种组份的混合物中组分1在高浓度端与低浓度端的摩 尔浓度Ch与Cl; 步骤2,计算组分1在时间t内通过某一截面E的净分子数目N; 步骤3,通过W下公式计算组分1的扩散系数D，式中，N为通过截面E的净分子数目；L为高浓度端与低浓度端之间的距离;Na为阿伏伽德 罗常数;A为截面E的横截面积;t为统计时间；Ch与Cl分别表示组分1在高浓度区与低浓度区 的摩尔浓度。2. 根据权利要求1所述的一种非平衡分子动力学模拟计算分子扩散系数的方法，其特 征在于:所述步骤1的具体步骤如下： 将系统沿扩散方向依次划分为低浓区、扩散区、高浓区、扩散区、低浓区共5个区域，高 浓区与低浓区的体积分别表示为Vh与Vi， 所述截面E位于扩散区，在模拟初始时刻，将组分1与组分2等数量的放置于模拟盒子 内； 模拟过程实施包括W下步骤： 1) 每隔ti时间间隔，在高浓度区内随机选取一个组分2的分子，在低浓度区内随机选取 一个组分1的分子，交换两分子位置，而各自保持速度不变； 2) 待系统达到稳态后，统计t时间间隔内，组分1在高浓区与低浓区的平均分子数目Nh与 Ni,则组分1在高浓区与低浓区的浓度可由W下两式计算： 所述步骤2的具体步骤如下：系统达到稳态后，统计t时间间隔内，组分1与组分2分子位置交换的次数Ne,则时间t内， 通过某一截面E的净分子数目N=Nc/2。
【专利摘要】本发明提供一种非平衡分子动力学模拟计算分子扩散系数的方法，该方法单纯采用分子动力学模拟直接计算出混合物中各组分沿扩散方向的浓度梯度及扩散通量，从而能够精确的计算出各组分的分子扩散系数；本发明方法与双控制体积巨正则分子动力学(DCV-GCMD)模拟方法相比，本发明有效的提高了模拟效率，而且显著的降低了模拟程序编写中的难度。
【IPC分类】G06F17/50
【公开号】CN105653766
【申请号】
【发明人】雷广平, 李晓杰, 饶文姬
【申请人】中北大学
【公开日】2016年6月8日
【申请日】2015年12月24日