线性分子及其混合物汽液相平衡的Monte Carlo模拟

摘要

本文用恒NVT正则系综MonteCarlo方法模拟线性分子的相平衡特性。模拟对象包括两个线性分子体系和一个二元混合物体系。模拟程序是在球形分子模型的基础上运用Fortran语言编写的。 在模拟中，用Widom检测粒子法算出体系的化学势；势能函数选择Lennard-Jones模型；模拟箱中分子数为256个；初始构型为面心立方结构；并采用Metropolis抽样法对线性分子模型进行模拟。模拟的重点是建立线性分子势能模型：由于每一个分子中含有几个Lennard-Jones作用点，为了能够准确描述各个作用点之间的相互作用，在程序中对线性分子引入了周期边界条件、球状势能截断、长程校正等模拟方法和技巧。在充分考虑分子移动过程中可能存在的点-点重叠之后，最终完成了线性分子MonteCarlo模拟程序的设计和编写。在单组分模拟程序的基础上，通过采用适当的混合规则和正确的化学势计算方法从而编写出混合物体系的模拟程序。具体来说，论文对Widom检测粒子法进行改进，在化学势模拟计算中依次插入正丁烷和正戊烷分子，从而获得二组分体系的化学势。 本文在六个不同的温度下，分别对正丁烷、乙烷进行了模拟：得出以上两个体系在相平衡条件下的P-V-T关系，并作出相图。通过与实验值的比较可以看出，模拟结果的误差较小。二元混合物体系是在不同组成下进行模拟的，最后得出了正丁烷-正戊烷混合物在298.15K时的汽液相平衡的性质，并绘制相图。模拟结果与实验值较为吻合。 虽然MonteCarlo模拟存在诸如计算时间长、控制参数多等问题，但是它的应用范围较为广泛，能够适用于众多的线性分子体系。线性分子模型是长链分子、聚合物分子的雏形，本文工作为以后研究长链分子、聚合物分子的相平衡打下基础。

目录

文摘

英文文摘

1绪论

1.1计算机分子模拟的意义

1.2分子模拟的分类

1.3 Monte Carlo研究方法

1.4 Monte Carlo方法的研究现状

1.4.1 Monte Carlo方法研究分子构形、构象及分子吸附

1.4.2 Monte Carlo方法研究反应机理及动力学特征

1.4.3 Monte Carlo方法研究流体特性

1.4.4 Monte Carlo方法研究流体超临界状态

1.5 Monte Carlo模拟内容

2统计力学原理

2.1系综原理

2.2正则系综

2.2.1正则系综原理

2.2.2正则配分函数与热力学函数的系综平均

2.3维里定理

3 Monte Carlo模拟

3.1引言

3.2 Lennard-Jones分子势能函数

3.3流体相平衡的Monte Carlo模拟

3.3.2间接法

3.4模拟方法和技巧

3.4.1 Metropolis抽样方法

3.4.2周期边界条件

3.4.3势能的计算方法

3.4.4最近映像及球形截断

3.4.5长程校正

3.4.6对比单位

3.5模拟步骤

4模拟过程

4.1化学势的计算方法

4.2模拟步数

4.3流体相平衡的确定

4.4乙烷和正丁烷势能模型

4.5混合物体系的长程校正

4.6体系对比密度的处理

4.7程序的组成

4.8程序框图

5模拟结果及讨论

5.1乙烷的模拟结果

5.1.1模拟步数的确定

5.1.2模拟结果

5.2正丁烷的模拟结果

5.2.1模拟参数的确定

5.2.2模拟结果

5.3混合物模拟结果

5.4结论及展望

致谢

参考文献