分子动力学
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➢ 红线显示了由NEMD模拟得到的局部值 ➢ 液体和固体状态下的平衡值由圆圈和三角形分别示出
在这两个模拟中,NEMD运行的局部密度ρ和比焓h 等于所述统计误差范围内的平衡值
Thanks!
谢谢观看! 2020
比焓和质量密度与温度的关系图 圆圈表示由EMD算出的平衡值
➢ 温度T,比焓h,和密度ρ的 部分梯度值
➢ 黄带表示近似统计误差 ➢ 圆圈表示由EMD计算出的相
应的平衡值
模拟B:固液共存系统
MD单元固体结构的快照
The green circle at the center in the top view shows the molecule at the origin
不同模型的过冷沸腾过程Comparison of sub-cooled boiling process
in cases P-T2, C-T2 and F-T2 at t = 200,300 and 400 ps. (White ellipses indicate where nano-scale gas cavities form).
U函数: 是i原子的坐标
本例子中,水和铜板传热过程将使用MD模拟,因此需要铜, 氧和氢原子的参与。Cu–O, Cu–H, and Cu–Cu, Lennard–Jones (L–J)的相互作用被应用于:
2.计算模型和方法 水分子是基本立方(BC)单元 在铜固体区域中,铜原子设置面心立方单元(FCC)样式 每个原子都符合下面的方程:
性能
The specific enthalpy, h, in a local slab of volume V was calculated by
计算Cp和αp的波动公式:
在EMD模拟中,平均值<X>的统计误差通过下面的标准 偏差来估计:
模拟A :超临界流体系统 左下图示为A模拟得到:剖面ZZ压力分量p ZZ,温 度T,比焓h,和密度ρ,
在这样的背景下,分子动力学模拟法应运而生
分子动力学方法特征:
✓ 可预测纳米尺度上的动力学特性。 ✓ 可用于模拟与原子运动路径相关的基本过程。 ✓ 粒子的运动行为是通过经典的Newton运动方程所描述。 ✓ 分子动力学方法是确定性方法,一旦初始构型和速度确
定了,分子随时间所产生的运动轨迹也就确定了。
分子动力学模拟
MOLECULAR DYNAMICS SIMULATION
单学坤 彭瑶 王志强 刘志敏 张孝松 施娅
NanJing Tect Unversity
背景介绍
微电子技术
举例: 微电子电路尺度己达微米量级中
的导热对流冷却
传热学
微电子机械系统
ຫໍສະໝຸດ Baidu
微槽道微米量级中的对流换热 薄膜材料的热传导
微电子机械系统中的流动与传热 共同的特点 换热是在微尺度条件下进行的
传统换热 微尺度换热
比较
微尺度传热具有新的特点和规律:
微槽道中对流换热强度比常规尺度 对流换热高出两个数量级
超薄薄膜材料导热系数比常规尺度 同种材料导热系数低一到两个数量 级
微尺寸物体自然对流换热比大空间 自然对流换热明显增强
这些微尺度条件下的传热现象,其中有些目前还无 法由经典的传热理论得到完整的解释。
计算域和边界可大致分为四个区域,即水蒸汽,水液体, 纳米结构的固体铜表面和恒温器边界区域。如下图:
计算域和边界图
横截面尺寸图
热量条件和不同情况的模型表格
在此模拟中使用的参数
结果与分析:
右图显示出了水/蒸汽 的水温与时间的相互关 系。
左图呈现了PT0模型沸腾过
程,时间分别 为 0,0.8,1.6 和2.4纳秒。
原理&模拟方法
模拟软件:LAMMPS
开源的MD模拟软件
可单机运行,也可并行计算 可以模拟气体、液体、固体
分子动力学从分子和原子的水平着手
通过研究众多的单个分子运动规律来揭示系统整体的 宏观行为
能够在认识热现象的本质的基础上求得不少热现象的 宏观参数
基本原理:
分子 原子
视为
统计力学
经典粒子
计算机模拟
应用举例 2
非平衡分子动力学模拟作为一种计算热力学系数的方 法 假设温度梯度往Z方向形成,给出平衡热力学关系式:
热膨胀系数:
NEMD模拟系统
比热: 其中,T是温度, ρ是密度,h表示比焓
分子通过在偏移力(SF)形式的LJ势相互作用
L J函数
其中,r表示分子间距离 , rc表示截止距离 这里执行了两个NEMD模拟,模拟A和模拟B: 运行A模拟旨在探讨在LE-NEMD的基本特征 试验B目的是展示在一个高度不均匀系统LE-NEMD的
分子动力学模拟的主要步骤有:
研究系统及其边界以及系统内分子间作用势模型的选取 模拟算法的建立,实质是求解一组运动方程 分子的初始位置和动量的设定 当体系达到平衡后,依据统计公式,获得各宏观参数和输运性质
系统达到平衡状态
宏观参数不随时间变化
相关统计公式
所需物理量,例如热力学性质 或参数
能解决的问题
模拟分子系统得出微观系统的热力学参数。 研究热扰动的传播的机理与特点, 能够从微观上阐述其 物理本质。 研究汽液界面之过渡区内热力学参数的变化规律,并用实 验来验证和解释微尺度相变的一些特殊规律。
应用举例 1
MD模拟纳米尺度结构表面过冷沸腾传热机理 1.控制方程和选择的模型 基本控制方程根据牛顿第二定律: