基于能量转换速度修正的分子动力学方法及静止微纳颗粒的受力特性研究

摘要

分子动力学(molecular dynamics，MD)模拟已成为研究微米或纳米尺度动力学、流体及固体统计特性的重要工具。目前，分子动力学主要分为两大类:平衡分子动力学(equilibrium molecular dynamics，EMD)和非平衡分子动力学(nonequilibrium molecular dynamics，NEMD)。本文针对MD模拟提出一种新的基于能量转换的速度修正法（energy conversion based correction，ECBC）。不同于传统的依赖于宏观参数的系统性速度修正方法，ECBC方法基于分子或原子对间的相互作用物理过程中的能量守恒与转换特性发展而来。采用ECBC修正方法进行MD模拟时，由于不用施加额外势能或引入温度等宏观参数，因此毋需针对NEMD采用特殊的处理方法即可直接用于EMD和NEMD模拟，特别是非保守（开放）系统的MD模拟。该方法突破了现有MD计算方法基于保守平衡系统思想引起的许多应用限制，可以极大的拓展MD应用范围。
　　微纳颗粒在流体中的布朗运动主要取决于流体分子对颗粒的作用力。由于颗粒尺寸极小，并且流体分子与其碰撞频率极高，因此难以通过实验手段测得颗粒所受布朗力。本文采用MD方法研究作用于颗粒的布朗力，发现一些很有意义的新现象:(1)对于不同的1/Kn数，布朗力的概率分布都符合高斯分布且具有自相似性;(2)与常用于郎之万模型不同，布朗力的频谱图并非白噪声，而是具有优先频率的类似对数正态分布的噪声;(3)随着微纳颗粒的尺寸变化，作用于颗粒的布朗力呈现出非单调性。当1/Kn数由小变大时，作用于颗粒的布朗力首先增加并且在1/Kn≈250达到最大值，之后随着1/Kn数继续增大，布朗力逐渐减小。本文发现的布朗力的变化规律对于颗粒的布朗运动的动力学特性研究将起到很好的促进作用。

目录

声明

致谢

摘要

1．1 研究背景与意义

1．2 研究现状

1．2．1 分子动力学的研究现状

1．2．2 微纳颗粒运动受力特性的研究现状

1．3 本文主要研究内容

第2章 分子动力学模拟的理论方法

2．1 分子动力学模拟的关键点

2．1．1 势函数

2．1．2 运动方程及其数值方法

2．1．3 截断近似

2．1．4 边界条件

2．1．5 统计系综

2．2 分子动力学模拟的程序实现

第3章 基于能量转换的分子动力学速度修正方法

3．1 ECBC方法基本理论

3．2 ECBC方法验证及应用拓展

3．2．1 物理模型

3．2．2 EMD工况模拟及ECBC方法论证

3．2．3 ECBC方法模拟恒定热通量热源的NEMD工况

3．2．4 ECBC方法模拟恒定温度热源的NEMD工况

3．3 本章小结

第4章 静止微纳颗粒布朗力受力特性研究

4．1 物理模型

4．2 边界影响分析

4．3 结果和分析

4．3．1 数值模拟有效性的论证

4．3．2 颗粒布朗力的概率分布

4．3．3 颗粒布朗力的频率分布

4．4 本章小结

第5章 总结与展望

5．1 全文总结

5．2 全文工作的创新点

5．3 全文展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表论文