基于非球形分子动力学模拟出的磁流体光栅及模拟方法技术

一种基于非球形分子动力学模拟出的磁流体光栅及模拟方法，属于计算机分子模拟技术领域；方法：1)在软件上建立一个磁流体系统模型；2)计算在作用半径内每两个磁性粒子的力和力矩；3)根据磁性粒子的力和力矩，计算粒子的速度与角速度；4)计算磁性粒子在一段时间后的位置和指向；本发明专利技术基于非球形分子动力学方法，只需要根据体积分数计算出磁性粒子的数量，就可以构建出磁流体系统模型，并在磁场环境下准确地得到磁流体光栅物理模型；采用的受力函数与受转矩函数可以很好地表征磁性粒子的平动与转动，准确地预测磁性粒子的位置。

Magnetic fluid grating and simulation method based on non spherical molecular dynamics simulation

A magnetic fluid grating and simulation method based on non-spherical molecular dynamics simulation belongs to the field of computer molecular simulation technology. Methods: 1) Establish a magnetic fluid system model in software; 2) Calculate the force and moment of each two magnetic particles in the radius of action; 3) Calculate the particles according to the force and moment of magnetic particles. Velocity and angular velocity; 4) Calculating the position and orientation of magnetic particles after a period of time; Based on the non-spherical molecular dynamics method, the magnetic fluid system model can be constructed by calculating the number of magnetic particles according to the volume fraction, and the physical model of the magnetic fluid grating can be accurately obtained under the magnetic field environment; The force function and the torque function can well characterize the translation and rotation of magnetic particles, and accurately predict the position of magnetic particles.

【技术实现步骤摘要】
基于非球形分子动力学模拟出的磁流体光栅及模拟方法
本专利技术属于计算机分子模拟
，具体涉及一种基于非球形分子动力学模拟出的磁流体光栅及模拟方法。
技术介绍
磁流体是一种新型的功能材料，对其微观结构的研究是磁流体基础理论研究的重要问题，这对于进一步光学传感特性的研究具有指导意义。传统研究磁流体微观结构形成机理的理论主要包括分子动力学、蒙特卡洛法、耗散粒子动力学和离散格子波尔兹曼方法。利用这些传统方法虽然能够仿真出磁流体中磁性粒子在磁场作用下简单成链的过程，但无法进一步反应磁链聚集的过程以及磁链排列的方式。由于大部分文献都选取球形粒子作为分析对象，然而，球形粒子在计算中，仅仅能反映出来粒子的平动所产生的效果。实际情况下，磁流体中磁性粒子在运动过程中，既有平动又有转动，而球形粒子无法有效考虑转动过程的影响。球形模型不准确的另一个原因就是现实中的磁流体在放置一段时间后，会产生弱凝絮现象，在光学显微镜下观察，呈现一系列不规则形状。
技术实现思路
针对现有技术的不足，本专利技术提出一种基于非球形分子动力学模拟出的磁流体光栅及模拟方法，在磁流体微观结构变化的模拟中，所述方法通过作用力和作用转矩计算磁性粒子的运动轨迹。一种基于非球形分子动力学模拟出的磁流体光栅，由磁性纳米粒子在磁场作用下排列组成，以一维光栅的排列形式；所述的磁性纳米粒子为球杆形结构模型，球杆形粒子两端分别携带的磁荷量相反，磁性粒子的长度为直径的5倍；磁场方向为沿着x轴的均匀磁场，磁场强度H为100Oe。所述磁性粒子间的相互作用以粒子间相互作用力与粒子间相互转矩的形式进行，且采用周期性边界条件，作用半径设置为250nm。所述磁性纳米粒子为四氧化三铁离子，磁性粒子表面携带10nm厚度的表面活性剂。所述表面活性剂为油酸钠。一种基于非球形分子动力学模拟出的磁流体光栅的模拟方法，包括以下步骤：步骤1，磁性粒子初始化：在软件上建立一个长度、宽度均为800nm，高度为200nm的磁流体系统模型，采用均匀分布方法初始化磁性粒子的位置，由于每个磁性粒子为三维，分布对坐标值及粒子方向与三个轴的夹角进行初始化，磁性粒子坐标值(Xi，Yi，Zi)与角度(θx，θy，θz)分别为公式1～6：Xi＝rand(0，1)·Lx(1)Yi＝rand(0，1)·Ly(2)Zi＝rand(0，1)·Lz(3)θx＝rand(0，1)·2π(4)θy＝rand(0，1)·2π(5)θz＝rand(0，1)·2π(6)其中，Lx为磁流体模型长度，Ly为磁流体模型高度，Lz为磁流体模型宽度，rand(0，1)为[0，1]间产生的随机数；步骤2，力和力矩的计算：计算在作用半径内每两个磁性粒子的力和力矩，磁性粒子所受的力包括粒子间磁作用力以及排斥力磁场粒子所受的转矩包括粒子间转矩以及外磁场转矩分别表示为公式7～10：TiH＝μ0mi×H＝μ0(l0qei)×H(10)其中，和为正磁荷端和负磁荷端所受的力，d为粒子直径，ns为表面活性剂分子数量，玻尔兹曼系数K＝1.38×10-23J/K，T为环境温度，δ为表面活性剂厚度，rij为磁性粒子距离，tij为磁性粒子向量，l0为磁性粒子长度，ei为磁性粒子方向向量，mi为磁性粒子磁矩，H为外界磁场，μ0为为磁导率，q为磁荷；步骤3，速度和角速度的计算：根据磁性粒子的力和力矩，可得粒子的速度与角速度vi和ωi，表示为公式11～12：其中，和分别为平行于粒子轴线和垂直于粒子轴线的速度，和分别为平行于粒子轴线和垂直于粒子轴线的角速度；步骤4，磁性粒子位置和指向的确立：计算磁性粒子在Δt后的位置ri和指向ei，表示为公式13～14：ri(t+Δt)＝ri(t)+Δt·vi(t)(13)ei(t+Δt)＝ei(t)+Δt·ωi(t)×ei(t)(14)其中，t为初始时间，Δt为时间变化值；然后即将Δt时的磁性粒子作为新的初始位置，重复步骤2，直至形成一维排列形式的光栅。本专利技术的一种基于非球形分子动力学模拟出的磁流体光栅及模拟方法，与现有技术相比，有益效果如下：1.本专利技术基于非球形分子动力学方法，可以构建出磁流体系统模型，并在磁场环境下准确地得到磁流体光栅物理模型。2.本专利技术所采用的受力函数与受转矩函数可以很好地表征磁性粒子的平动与转动，准确地预测磁性粒子的位置。3.本专利技术构建的磁流体模型只需要根据体积分数计算出磁性粒子的数量，初始位置采用均匀分布方法。附图说明图1为本专利技术实施例中磁性粒子在H＝100Oe下，Δt＝20s微观排列。图2为本专利技术实施例中磁性粒子在H＝100Oe下，Δt＝200s微观排列。图3为本专利技术实施例中磁性粒子在H＝100Oe下，Δt＝400s微观排列。图4为本专利技术实施例中磁性粒子在H＝100Oe下，Δt＝1800s微观排列。具体实施方式为了更清楚地说明本专利技术，下面结合具体实施例和附图对本专利技术做详细说明。实施例一种基于非球形分子动力学模拟出的磁流体光栅，由磁性纳米粒子在磁场作用下排列组成，以一维光栅的排列形式；所述的磁性纳米粒子为球杆形结构模型，球杆形粒子两端分别携带的磁荷量相反，磁性粒子的长度为直径的5倍；所述磁场方向为沿着x轴的均匀磁场，磁场强度H为100Oe。所述磁性粒子间的相互作用以粒子间相互作用力与粒子间相互转矩的形式进行，且采用周期性边界条件，作用半径设置为250nm。所述磁性纳米粒子为四氧化三铁离子，磁性粒子表面携带10nm厚度的表面活性剂。所述表面活性剂为油酸钠。一种基于非球形分子动力学模拟出的磁流体光栅的模拟方法，包括以下步骤：步骤1，磁性粒子初始化：在matlab软件上建立一个长度、宽度均为800nm，高度为200nm的磁流体模型，其中包含432个粒子，粒子直径为10nm，长度为50nm，采用均匀分布方法初始化磁性粒子的位置，由于每个磁性粒子为三维，分布对坐标值及粒子方向与三个轴的夹角进行初始化，磁性粒子坐标值(Xi，Yi，Zi)与角度(θx，θy，θz)分别为公式1～6：Xi＝rand(0，1)·Lx(1)Yi＝rand(0，1)·Ly(2)Zi＝rand(0，1)·Lz(3)θx＝rand(0，1)·2π(4)θy＝rand(0，1)·2π(5)θz＝rand(0，1)·2π(6)其中，Lx＝800nm，Ly＝200nm，Lz＝800nm，rand(0，1)为[0，1]间产生的随机数；步骤2，力和力矩的计算：计算在作用半径内每两个磁性粒子的力和力矩，磁性粒子所受的力包括粒子间磁作用力以及排斥力磁场粒子所受的转矩包括粒子间转矩以及外磁场转矩分别表示为公式7～10：TiH＝μ0mi×H＝μ0(l0qei)×H(10)其中，和为正磁荷端和负磁荷端所受的力，粒子直径d＝10nm，表面活性剂分子数量ns＝1018/m2，玻尔兹曼系数K＝1.38×10-23J/K，，环境温度T＝300K，表面活性剂厚度δ＝1.5nm，磁性粒子距离磁性粒子向量磁性粒子长度l0＝50nm，磁性粒子方向向量(r+和r-分别为磁性粒子正磁荷端和负磁荷端的位置)，磁性粒子磁矩mi＝2×10-19T·m2，外界磁场H＝100Oe，磁导率μ0＝4π×10-7N/A2，磁荷q＝1.05×10-34wb；步骤3，速度和角速度的计算：根据磁性粒子的力和力矩，可得粒子本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于非球形分子动力学模拟出的磁流体光栅，其特征在于，所述光栅由磁性纳米粒子以一维光栅的排列形式在磁场作用下排列组成；所述的磁性纳米粒子为球杆形结构模型，球杆形粒子两端分别携带的磁荷量相反，磁性粒子的长度为直径的5倍；所述磁场方向为沿着x轴的均匀磁场，磁场强度H为100Oe。

【技术特征摘要】
1.一种基于非球形分子动力学模拟出的磁流体光栅，其特征在于，所述光栅由磁性纳米粒子以一维光栅的排列形式在磁场作用下排列组成；所述的磁性纳米粒子为球杆形结构模型，球杆形粒子两端分别携带的磁荷量相反，磁性粒子的长度为直径的5倍；所述磁场方向为沿着x轴的均匀磁场，磁场强度H为100Oe。2.根据权利要求1所述的一种基于非球形分子动力学模拟出的磁流体光栅，其特征在于，所述磁性粒子间的相互作用以粒子间相互作用力与粒子间相互转矩的形式进行，且采用周期性边界条件，作用半径设置为250nm。3.根据权利要求1所述的一种基于非球形分子动力学模拟出的磁流体光栅，其特征在于，所述磁性纳米粒子为四氧化三铁离子，磁性粒子表面携带10nm厚度的表面活性剂。4.根据权利要求3所述的一种基于非球形分子动力学模拟出的磁流体光栅，其特征在于，所述表面活性剂为油酸钠。5.权利要求1所述的一种基于非球形分子动力学模拟出的磁流体光栅的模拟方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1，磁性粒子初始化：在软件上建立一个长度、宽度均为800nm，高度为200nm的磁流体系统模型，采用均匀分布方法初始化磁性粒子的位置，由于每个磁性粒子为三维，分布对坐标值及粒子方向与三个轴的夹角进行初始化，磁性粒子坐标值(Xi，Yi，Zi)与角度(θx，θy，θz)分别为公式1～6：Xi＝rand(0，1)·Lx(1)Yi＝rand(0，1)·Ly(2)Zi＝rand(0，1)·Lz(3)θx＝rand(0，1)·2π(4)...

【专利技术属性】
技术研发人员：英宇，许可，孙亮亮，
申请(专利权)人：沈阳建筑大学，
类型：发明
国别省市：辽宁,21