耗散粒子动力学模拟中刚性沥青质分子结构的构建方法技术

一种耗散粒子动力学模拟中刚性沥青质分子结构的构建方法。其包括确定沥青质分子中各基团粗化结构；利用上述基团粗化结构构建分子粗化结构；基于上述分子粗化结构构建模拟体系；生成上述模拟体系的力场；对沥青质分子的键长、键角和二面角进行定量约束；利用模拟体系的力场和定量约束，对模拟体系进行耗散粒子动力学模拟，获得刚性沥青质分子的结构等步骤。本发明专利技术提供的耗散粒子动力学模拟中刚性沥青质分子结构的构建方法具有如下优点：可以稳定地获得刚性沥青质分子的结构，结构的键长约为

【技术实现步骤摘要】
耗散粒子动力学模拟中刚性沥青质分子结构的构建方法
本专利技术属于离散介质模拟中的耗散粒子动力学模拟
，特别是涉及一种耗散粒子动力学模拟中刚性沥青质分子结构的构建方法。
技术介绍
沥青质是原油四组分之一，在原油开采和炼化中均起到至关重要的作用。原油采出液一般是油包水乳状液，沥青质分子吸附在油水界面处，使乳状液更加稳定，难于破乳、脱水。因此，沥青质分子的聚集行为特征是研究乳状液破乳的前序性课题，是破乳研究不断深入的重要保障。但是由于沥青质具有组分复杂、结构多样、不易分离等特点，因此学者们对于沥青质分子的认识进展缓慢。近十年来，随着核磁共振、小角X射线衍射等技术的进步，沥青质分子的相对质量被确定为750左右，其内部为稠芳环核，外部为烷烃支链，并且稠芳环核和烷烃支链都可以含有杂原子。沥青质分子的聚集行为一般用Yen-Mullins模型进行描述，分为单分子、纳米聚集体、团簇三个层次。实验研究已经证实，稠芳环核在各类沥青质分子行为中保持较好的平面刚性结构。对沥青质的实验研究受到诸多问题的限制：实验仪器昂贵：CT扫描仪、扫描电镜等仪器价格在百万元左右；实验观测困难：沥青质分子的聚集行为往往在纳秒级甚至更小的时间尺度内发生，难以观测；可重复性差：由于沥青质分子会在实验过程中破碎、老化，因此实验结果难以重现，而且同一份样品在不同测试过程中的成分往往已经发生变化。因此，数值模拟为沥青质分子行为的研究提供了极好的便利条件。分子动力学模拟在沥青质研究中大量应用。但是，由于分子模拟对分子的细节考虑过多，因此计算量极大，难以适应大空间、大时间尺度的模拟。耗散粒子动力学方法通过将分子进行粗化、可在模拟中舍弃与研究无关的次要信息等方法，将模拟的空间、时间尺度大大提升。但是分子粗化也导致分子难以保持原有的刚性结构。因此，实现沥青质分子稠芳环核的刚性结构成为耗散粒子动力学方法模拟的重要前提，是本领域学者迫切需要解决的技术问题。
技术实现思路
为了解决上述问题，本专利技术的目的在于提供了一种耗散粒子动力学模拟中刚性沥青质分子结构的构建方法。为了达到上述目的，本专利技术提供的耗散粒子动力学模拟中刚性沥青质分子结构的构建方法包括按顺序进行的下列步骤：1)确定沥青质分子中各基团粗化结构；将沥青质分子的甲苯中的苯环粗化为一个T1珠子，甲基粗化为一个T2珠子,稠芳环核中的每个苯环粗化为一个C珠子,烷烃支链中的己烷基粗化为三个依次相连的H珠子。2)利用上述基团粗化结构构建分子粗化结构；利用MaterialsStudio软件的coarsegrain模块，构建模拟体系所需的每种分子粗化结构各一个,其中甲苯分子粗化结构为一个T1珠子和一个T2珠子相连；稠芳环核的分子粗化结构有两种，任选其一：①将每个苯环粗化为一个C珠子，并置于苯环的质心处,称为“三角型粗化”；②粗化成由蜂窝状紧密排列的六边形组成的平面，每个顶点处为一个C珠子，每个C珠子代表一个苯环，称为“六边型粗化”。3)基于上述分子粗化结构构建模拟体系；利用MaterialsStudio软件的Buildmesostructure模块，构建以甲苯、正庚烷或正己烷作为溶剂，或不使用溶剂，以具有上述分子粗化结构的沥青质分子作为溶质，密度为0.26克/立方厘米，模拟盒大小为的模拟体系。4)生成上述模拟体系的力场；利用MaterialsStudio软件的Forcefield模块，生成上述模拟体系的力场，其中同类珠子间的保守力为78，不同类珠子间的保守力为80，或根据模拟物质之间的溶解性质进行计算得到珠子的保守力参数。5)对沥青质分子的键长、键角和二面角进行定量约束；键长约束：依照实际的稠芳环核中苯环质心的距离，设置所有珠子键的长度为珠子键的劲度系数为键角约束：依照实际的稠芳环核的苯环中碳原子间的键角，对于“三角型粗化”得到的稠芳环核，设置相邻C珠子的键角为180度，键角刚性参数为对于“六边型粗化”得到的稠芳环核，设置相邻C珠子的键角为120度，键角刚性参数为二面角约束：依照实际的稠芳环核中苯环的二面角，设置C珠子的平面数为2，反转键能作用常数为6)利用步骤4)获得的模拟体系的力场和步骤5)获得的定量约束，对步骤3)构建的模拟体系进行耗散粒子动力学模拟，获得刚性沥青质分子的结构。进行耗散粒子动力学模拟所采用的步长为5.75fs，步数为40000，每500步输出一次结果。本专利技术提供的耗散粒子动力学模拟中刚性沥青质分子结构的构建方法具有如下优点：可以稳定地获得刚性沥青质分子的结构，结构的键长约为二面角峰值为10度，最大不超过20度。本专利技术所构建的刚性沥青质分子结构可用于沥青行为的模拟。附图说明图1为甲苯粗化结构示意图。图2为沥青质分子的稠芳环核中苯环的粗化结构示意图。图3为正己烷的粗化结构示意图。图4为实施例1中的沥青质分子初始形态示意图。图5为实施例1中的溶解体系初始形态示意图。图6为实施例1中的沥青质分子最终形态示意图。图7为实施例1中的溶解体系最终形态示意图。图8为对比例1中的溶解体系最终形态示意图。图9为对比例2中的溶解体系最终形态示意图。图10为对比例3中的溶解体系最终形态示意图。图11为对比例4中的溶解体系最终形态示意图。图12为实施例1与对比例1、2结果的键长分布图。图13为实施例1与对比例3结果的二面角分布对比。图14为实施例1与对比例1、2、3、4结果的沥青质分子回转半径的对比图。图15为实施例2中的沥青质分子结构初始形态示意图。图16为实施例2中的溶解体系初始形态示意图。图17为实施例2中的沥青质分子结构最终形态示意图。图18为实施例2中的溶解体系最终形态示意图。图19为对比例5中的溶解体系最终形态示意图。图20为实施例2与对比例5结果的键长分布图。图21为实施例2与对比例5结果的稠芳环核二面角分布图。图22为实施例2与对比例5结果的沥青质分子回转半径分布图。图23为实施例3中的沥青质分子结构初始形态分布图。图24为实施例3中的溶解体系初始形态分布图。图25为实施例3中沥青质分子结构最终形态分布图。图26为实施例3中的溶解体系最终形态分布图。图27为对比例6中的溶解体系最终形态分布图。图28为实施例3与对比例6结果的键长分布图。图29为实施例3与对比例6结果的稠芳环核二面角分布图。图30为实施例3与对比例6结果的沥青质分子回转半径分布图。具体实施方式现以甲苯作为溶剂，以沥青质分子作为溶质构建刚性沥青质分子的结构。实施例1与对比例1-4中的沥青质分子为孤岛型，稠芳环核采用“三角型粗化”。实施例2与对比例5中的沥青质分子为孤岛型，稠芳环核采用“六边型粗化”。实施例3本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种耗散粒子动力学模拟中刚性沥青质分子结构的构建方法，其特征在于：所述的构建方法包括按顺序进行的下列步骤：/n1)确定沥青质分子中各基团粗化结构；/n2)利用上述基团粗化结构构建分子粗化结构；/n3)基于上述分子粗化结构构建模拟体系；/n4)生成上述模拟体系的力场；/n5)对沥青质分子的键长、键角和二面角进行定量约束；/n6)利用步骤4)获得的模拟体系的力场和步骤5)获得的定量约束，对步骤3)构建的模拟体系进行耗散粒子动力学模拟，获得刚性沥青质分子的结构。/n

【技术特征摘要】
1.一种耗散粒子动力学模拟中刚性沥青质分子结构的构建方法，其特征在于：所述的构建方法包括按顺序进行的下列步骤：
1)确定沥青质分子中各基团粗化结构；
2)利用上述基团粗化结构构建分子粗化结构；
3)基于上述分子粗化结构构建模拟体系；
4)生成上述模拟体系的力场；
5)对沥青质分子的键长、键角和二面角进行定量约束；
6)利用步骤4)获得的模拟体系的力场和步骤5)获得的定量约束，对步骤3)构建的模拟体系进行耗散粒子动力学模拟，获得刚性沥青质分子的结构。


2.根据权利要求1所述的耗散粒子动力学模拟中刚性沥青质分子结构的构建方法，其特征在于：在步骤1)中，所述的确定沥青质分子中各基团粗化结构的方法是：将沥青质分子的甲苯中的苯环粗化为一个T1珠子，甲基粗化为一个T2珠子,稠芳环核中的每个苯环粗化为一个C珠子,烷烃支链中的己烷基粗化为三个依次相连的H珠子。


3.根据权利要求1所述的耗散粒子动力学模拟中刚性沥青质分子结构的构建方法，其特征在于：在步骤2)中，所述的利用上述基团粗化结构构建分子粗化结构的方法是：利用MaterialsStudio软件的coarsegrain模块，构建模拟体系所需的每种分子粗化结构各一个,其中甲苯分子粗化结构为一个T1珠子和一个T2珠子相连；稠芳环核的分子粗化结构有两种，任选其一：①将每个苯环粗化为一个C珠子，并置于苯环的质心处,称为“三角型粗化”；②粗化成由蜂窝状紧密排列的六边形组成的平面，每个顶点处为一个C珠子，每个C珠子代表一个苯环，称为“六边型粗化”。


4.根据权利要求1所述的耗**散粒子动力学模拟中刚性沥青质分子结构的构建方法，其特征在...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴九柱，付威，胡艳娇，王子璇，燕群，陈媛媛，
申请(专利权)人：中国民航大学，
类型：发明
国别省市：天津;12