一种液滴表面水蒸气分子质量和热量吸附系数计算方法技术

本发明专利技术公开了一种液滴表面水蒸气分子质量和热量吸附系数计算方法，涉及传热传质领域，包括：构建分子动力学模型，包括单个水分子

【技术实现步骤摘要】
一种液滴表面水蒸气分子质量和热量吸附系数计算方法


[0001]本专利技术涉及传热传质领域，尤其涉及一种液滴表面水蒸气分子质量和热量吸附系数计算方法
。

技术介绍

[0002]液滴中水分的凝结和蒸发现象，广泛存在于大气气溶胶颗粒的生长演化
、
喷雾干燥
、
喷雾冷却和肺部给药等环境
、
工业和医学过程中
。
气粒界面的质量和热量传递是液滴凝结和蒸发的核心过程
。
对于微纳米尺度的液滴而言，质量吸附系数和热量吸附系数是热质传递理论中的关键参数，前者的物理意义为撞击到液滴表面的水蒸气分子中停留在液相中的概率，后者的物理意义为撞击到液滴表面的水蒸气分子中能和液面温度达到平衡的概率
。
[0003]然而，现有试验方法无法获取水蒸气分子在微纳米液滴表面的质量吸附系数和热量吸附系数，这导致了液滴蒸发模型的预测准确性较差
。
随着计算机技术的发展，分子动力学模拟成为研究纳米尺度物理化学问题的一种有效方法，它基于不同的力场模型，计算体系中每个原子的运动状态，不仅可以突破一般实验手段的条件限制而获得分子层面信息，也可以与一些统计物理分析方法相结合定量获取微观参数，因此分子动力学模拟是获取气粒界面质量和热量吸附系数的理想方法
。
[0004]因此，本领域的技术人员致力于开发一种液滴表面水蒸气分子质量和热量吸附系数计算方法
。

技术实现思路

[0005]有鉴于现有技术的上述缺陷，本专利技术所要解决的技术问题是现有试验仪器无法测量液滴凝结和蒸发过程中表面水分子的质量吸附系数和热量吸附系数，在现有模型中，上述两个参数均采用经验值，影响模型准确性
。
[0006]为实现上述目的，本专利技术提供了一种液滴表面水蒸气分子质量和热量吸附系数计算方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
[0007]S101
：构建分子动力学模型，所述模型包括单个水分子几何模型
、
单个丁二酸分子几何模型和液滴初始模型，所述液滴初始模型包含多个水分子和多个丁二酸分子；
[0008]S103
：基于
Lammps
对液滴进行
NVT
系综平衡模拟，输出结果文件；
[0009]S105
：基于获取的分子动力学模拟结果文件，计算所述液滴等摩尔半径；
[0010]S107
：依据液滴质心
、
分子平均直径
、
力场截断半径和所述等摩尔半径，以所述液滴质心为原点沿径向对模拟体系分区；
[0011]S109
：水分子轨迹分析，计算所述水分子撞击到液滴表面事件发生的总数；
[0012]S111
：计算质量吸附系数和热量吸附系数
。
[0013]进一步地，在所述步骤
S101
中，还包括运用
msi2lmp
建立
LAMMPS
模拟所需要的数据文件，所述数据文件中包含模拟立方体盒子的边长
、
原子初始坐标
、
原子带电量
、
键伸缩
、
键
角弯曲和二面角信息
。
[0014]进一步地，在所述步骤
S103
中，所述
NVT
系综平衡模拟的模拟体系采用三维周期性边界条件，分子动力学模拟中固定力场截断半径为
1.4nm
，时间步长为
1fs
，水分子采用
SPC/E
力场模型，丁二酸分子力场参数来源于
OPLS
‑
aa
力场
。
[0015]进一步地，所述
NVT
系综平衡模拟支持在多种温度条件下进行模拟，所述温度条件采用
Nose
‑
Hoover
热浴方法将温度分别保持在
280K、290K、300K、310K
或者
320K。
[0016]进一步地，当模拟过程中液滴达到平衡状态后，运行
100ns
，每隔
1500
步输出一次所述结果文件，每个所述结果文件中包含原子与分子的种类
、
原子序号和原子的坐标信息，所述平衡状态采用如下判断准则：颗粒中所有水分子和其自身分子之间的作用势能保持不变时，则认为液滴达到平衡状态
。
[0017]进一步地，在所述步骤
S105
中，以所述液滴质心为圆心，计算沿半径方向上所有原子的径向数密度分布，通过数据拟合，计算所述液滴等摩尔半径：
[0018][0019][0020]其中，
ρ
(r)
为液滴中所有原子在半径
r
处的总数密度，
R
e
为液滴等摩尔半径，
ρ
α
为液相密度，
ρ
β
为气相密度，
r0为分界面半径，
ξ
为界面厚度
。
[0021]进一步地，所述液滴质心的确定方法包括如下步骤：
[0022]计算每个分子质心坐标；
[0023]追踪所述分子周围小于
1nm
的分子数量；
[0024]判断所述分子是否为液滴相：如果所述分子数量多于8个，则所述分子位于液滴相；
[0025]计算所有液滴相分子的质心，即为所述液滴的质心
。
[0026]进一步地，在所述步骤
S107
中，所述模拟体系分为四个区域：液滴体相区
、
液滴表面区
、
入射区和气相区，对水分子质心进入所述四个区域时进行标记：进入液滴体相区标记为
2、
进入液滴表面区标记为
1、
进入入射区标记为
0、
进入气相区时标记为
‑
1。
[0027]进一步地，在所述步骤
S109
中，在一次入射事件中，所述水分子撞击到液滴表面事件包括吸附事件
、
分散事件
、
解吸附事件和吸收事件，其中，
[0028]所述入射事件：当水分子的标记由
‑1变为非
‑1时，记为一次入射事件，直到下一个
‑1出现或者模拟结束；
[0029]所述吸附事件：当所述水分子的标记在
‑1后只出现0或1时，所述事件定义为吸附事件，总吸附事件发生数量为
n
ads
；
[0030]所述分散事件：当所述水分子的标记在
‑1后出现1，之后再出现
‑1，且两个
‑1出现的时间间隔小于
3ps
时，所述事件定义为分散事件，总分散事件发生数量为
n
scatt
；<本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
一种液滴表面水蒸气分子质量和热量吸附系数计算方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
S101
：构建分子动力学模型，所述模型包括单个水分子几何模型
、
单个丁二酸分子几何模型和液滴初始模型，所述液滴初始模型包含多个水分子和多个丁二酸分子；
S103
：基于
Lammps
对液滴进行
NVT
系综平衡模拟，输出结果文件；
S105
：基于获取的分子动力学模拟结果文件，计算所述液滴等摩尔半径；
S107
：依据液滴质心
、
分子平均直径
、
力场截断半径和所述等摩尔半径，以所述液滴质心为原点沿径向对模拟体系分区；
S109
：水分子轨迹分析，计算所述水分子撞击到液滴表面事件发生的总数；
S111
：计算质量吸附系数和热量吸附系数
。2.
如权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述步骤
S101
中，还包括运用
msi2lmp
建立
LAMMPS
模拟所需要的数据文件，所述数据文件中包含模拟立方体盒子的边长
、
原子初始坐标
、
原子带电量
、
键伸缩
、
键角弯曲和二面角信息
。3.
如权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述步骤
S103
中，所述
NVT
系综平衡模拟的模拟体系采用三维周期性边界条件，分子动力学模拟中力场截断半径为
1.4nm
，时间步长为
1fs
，水分子采用
SPC/E
力场模型，丁二酸分子力场参数来源于
OPLS
‑
aa
力场
。4.
如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述
NVT
系综平衡模拟支持在多种温度条件下进行模拟，所述温度条件采用
Nose
‑
Hoover
热浴方法将温度分别保持在
280K、290K、300K、310K
或者
320K。5.
如权利要求4所述的方法，其特征在于，当模拟过程中液滴达到平衡状态后，运行
100ns
，每隔
1500
步输出一次所述结果文件，每个所述结果文件中包含原子的种类
、
原子和分子的序号和原子的坐标信息，所述平衡状态采用如下判断准则：颗粒中所有水分子和所有丁二酸分子之间的作用势能保持不变时，则认为液滴达到平衡状态
。6.
如权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述步骤
S105
中，以所述液滴质心为圆心，计算沿半径方向上所有原子的径向数密度分布，通过数据拟合，计算所述液滴等摩尔半径：计算沿半径方向上所有原子的径向数密度分布，通过数据拟合，计算所述液滴等摩尔半径：其中，
ρ
(r)
为液滴中所有原子在半径
r
处的总数密度，
R
e
为液滴等摩尔半径，
ρ
α
为液相密度，
ρ
β
为气相密度，
r0为分界...

【专利技术属性】
技术研发人员：张超，蔺浩阳，张智超，余丹丹，卢淼然，杨杨，
申请(专利权)人：上海理工大学，
类型：发明
国别省市：