石油中烃类化合物的粗粒化分子力学/分子动力学力场的建立

摘要

随着计算机科学的发展,应用量子力学进行模拟计算广泛应用于科学研究的方方面面。随着研究的不断深入,人们对于计算机的硬件要求越来越高。为了提高计算效率,发展了以经典力学为基础的非量子法模拟方案,这主要包括分子力学方法,分子动力学方法,蒙特卡洛方法,布朗动力学方法和耗散粒子动力学方法等。近几年来,粗粒化计算机模拟得到了很大发展,粗粒化模型简化了分子结构,使得模拟计算的自由度数目减少,进而提高了计算效率。但是,进行粗粒化分子力学/分子动力学模拟需要特定的力场,目前还没有一个通用的粗粒化力场可供使用。本论文依据石油组分中烃类化合物的结构定义粗粒化结构单元,构建石油中烃类组分的粗粒化分子力学/分子动力学力场。
　　 分子力学,在各项势能函数的约束下,调整体系内分子的结构形态和位移,得到体系能量最低构象,即为体系的最稳定状态。势能函数主要包括非键势能、键伸缩势能、键角弯曲势能、二面角扭曲势能、偏离平面振动势能、库伦静电势能等。本论文通过进行相应体系的全原子模拟数据拟合上述势能函数的表达式,得到相应的粗粒化力场参数,这是建立粗粒化力场的关键之一。
　　 分子动力学,主要应用牛顿运动方程,计算得到每个粒子的位置坐标和动量,再通过统计计算的方法得到整个体系的动态特征,进而得到整个体系的宏观性质。本论文依据Verlet算法对牛顿运动方程进行积分的原理,应用Materials Studio软件中Forcite模块进行分子动力学模拟计算。
　　 构建粗粒化力场,本论文将石油中烃类组分划分为烷烃、烯烃、芳香烃和环烷烃四类,统计石油组分中常见的烃类分子结构,以最少的个数构建可以覆盖全部烃类组分的粗粒化结构单元。针对不同的粗粒化模型,寻找与该粗粒化模型结构相似的模型化合物进行全原子分子力学/分子动力学模拟,得到相应的径向分布函数后,应用波尔兹曼反转的方案得到相应的力场参数。应用构建的粗粒化力场进行粗粒化分子力学/分子动力学模拟,分析计算粗粒化体系的密度、混合自由能等相关热力学参数,粗粒化模拟值与实验值、全原子模拟值相近,进而验证孑本论文所构建的烃类化合物粗粒化力场的准确性。