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溫度、截斷半徑、模擬分子數(shù)對水汽液界面特性的影響規(guī)律(一)

來源:河南化工 瀏覽 64 次 發(fā)布時間:2024-11-28

水是許多化學反應過程廉價的反應溶劑,也是化工生產(chǎn)過程常用的工質。汽液界面行為是研究水相變傳熱問題的基礎。目前,工程上許多有關水蒸發(fā)、水蒸氣冷凝、加熱干燥等相變傳熱數(shù)據(jù)仍主要依賴于實驗。隨著分子模擬技術的發(fā)展,采用分子動力學模擬方法,從分子水平揭示水汽液界面特性的研究,引起了國內外許多學者的極大關注。本文擬采用SPC模型,對水汽液界面特性進行平衡分子動力學模擬研究,探討溫度、截斷半徑、模擬分子數(shù)對水汽液界面特性的影響規(guī)律。


1模擬方法


1.1模擬體系的建立


采用直角坐標系,模擬盒子如圖1所示,液相位于模擬盒子的中央,汽相分別處于液相的上下兩側,整個模擬體系中有兩個汽液界面。模擬盒子在x、y方向的長度為Lx=Ly=L,在z方向的長度為Lz=3L。


圖1模擬盒子的示意圖

對于水的分子動力學模擬研究,采用的勢能模型有很多,如SPC、SPC/E、TIP3P、TIP4P、TIP5P等。本文采用SPC剛體勢能模型,假設只有不同水分子的O原子之間存在短程L-J勢能,不同水分子的H原子之間以及H原子和O原子之間存在長程靜電勢能。水分子的總勢能由短程L-J勢能和長程靜電勢能兩部分組成,如式(1)所示。SPC模型的勢能參數(shù)如表1所示,其中qH和qO分別為水分子中H原子和O原子所帶電荷,rOH為H原子與O原子之間的鍵長,θ為兩個O—H鍵之間的角度(即鍵角),σO為O原子之間L-J勢能的尺度參數(shù),εO為O原子之間L-J勢能的能量參數(shù),e為基本電荷(1e=1.6×10-19C),kB為Boltzmann常數(shù)(kB=1.3806×10-23J/K)。


表1 SPC模型的參數(shù)值


式中:US為總勢能,kJ/mol;為長程靜電勢能,kJ/mol;為短程L-J勢能,kJ/mol;N為模擬分子個數(shù);n為每個水分子內受靜電作用的作用點數(shù)量;i、j為模擬系統(tǒng)內2個不同的水分子;a、b為分子受靜電作用的作用點;為i分子中a作用點所帶電量,C;為j分子中b作用點所帶電量,C;為i分子中a作用點與j分子中b作用點之間的距離,m;εR為真空中介電常數(shù),εR=8.854×10-12F/m;i分子和j分子兩個O原子之間的距離,m;σO為O原子之間L-J勢能的尺度參數(shù),m;εO為O原子之間L-J勢能的能量參數(shù),kJ/mol。


對于長程靜電勢能,采用作用場法。為避免L-J勢能和靜電勢能在邊界處發(fā)生截斷而不連續(xù),導致Hamiltonian函數(shù)不守恒問題。采用移位法來處理兩種勢能,如方程(2)和(3)所示。


式中:rc為截斷半徑,m;U為校正后的勢能,kJ/mol;Uc為截斷半徑處的勢能,kJ/mol;εS為環(huán)境介電常數(shù),通常取εS=∞,因此,式(3)可以簡化為方程(4)。


1.2模擬細節(jié)


初始時刻,水分子初始位置為各分子的質心以面心立方晶格(FCC)均勻排列在邊長為L的液相模擬盒中,液相區(qū)上下兩側的汽相區(qū)為真空。水分子質心(即O原子所在位置)為分子坐標的原點,H和O原子均在xy平面上,其中一個H原子位于x軸的正方向上,另一個H原子位于xy平面的第二象限區(qū),O和H的位置矢量分別為rO(0,0,0),rH(0.3159σO,0,0),rH(-0.1053σO,0.2978σO,0)。水分子初始平動速度由隨機數(shù)發(fā)生器隨機給定,初始轉動速度為0。


在模擬過程中,對物理量進行無量綱化處理;x、y、z三個方向均采用周期性邊界條件;保證系統(tǒng)的體積V、溫度T和模擬分子數(shù)N保持不變,采用Woodcock變標度恒溫法實現(xiàn)系統(tǒng)恒溫;不斷對體系質心進行矯正,使之處于坐標原點;將模擬盒子沿z方向劃分為300個等厚度的薄片;模擬時間步長為0.8fs,總模擬步數(shù)為60萬步,其中前20萬步用于使系統(tǒng)達到平衡,后40萬步用于統(tǒng)計界面特性參數(shù)。


模擬計算程序是由本課題組采用Fortran語言編寫的,其模擬流程如圖2所示。模擬運算中所涉及到的方程如式(5)~(13)所示]。


圖2模擬流程簡圖


式中:U(k)為第k個切片的勢能,Uij(k)為i、j分子在第k個切片內的勢能,nk為第k個切片的分子數(shù),Vs1為切片的體積,ρ(k)為第k個切片的數(shù)密度,rij為i分子和j分子之間的距離,xij、yij、zij為rij分別在x、y、z方向上的分量,、、分別為i分子中的a原子和j分子中的b原子之間的距離在x、y、z方向上的分量,U()為勢函數(shù)U()對的導數(shù),PN(k)、PT(k)分別為第k個切片的法向應力和切向應力,γ(k)為第k個切片的局部界面張力,Δz為切片厚度,γ為汽液界面張力,〈〉為系統(tǒng)統(tǒng)計平均,ρV、ρL分別為汽相主體、液相主體密度,NL、NV分別為液相、汽相切片數(shù),UV、UL分別為汽相主體、液相主體勢能(L-J勢能、靜電勢能、總勢能),z(k)為第k個切片的位置,z0為Gibbs汽液界面的位置,d為汽液界面厚度。在統(tǒng)計切片內法向應力和切向應力時,若相互作用的原子a,b均在同一切片內,則計算全部作用;若相互作用原子只有一個原子在某一切片內,則計算一半作用。

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