【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于沸腾换热仿真，尤其涉及一种基于分子动力学的纳米液膜沸腾换热模型的构建方法。
技术介绍
1、沸腾换热现象在生产和生活中普遍存在，可分为池沸腾和强制对流沸腾。沸腾换热是在过热液体内或固液界面处发生的气泡成核、生长、脱离及上升的气液相变过程。固液界面处的沸腾换热根据固体基底上的过热度不同，会发生缓慢蒸发和爆炸沸腾两种不同的气液相变现象。
2、然而，由于测试技术的限制，实验研究难以获得沸腾换热过程中各种热力学参数的分布及演化情况，也就难以揭示不同沸腾换热现象的产生机理。因此，基于分子动力学方法构建纳米液膜沸腾换热模型，对于探究不同沸腾模式的产生机理具有重要意义。
技术实现思路
1、针对现有技术存在的不足之处，本专利技术所要解决的技术问题是由于测试技术的限制，实验研究难以获得沸腾换热过程中各种热力学参数的分布及演化情况，也就难以揭示不同沸腾换热现象的产生机理，提出一种能够从微观层面探究两种不同沸腾换热现象中各种热力学参数的变化，从而揭示不同沸腾模式的产生机理的基于分子动力学的纳米液膜沸腾换热模型的构建方法。
2、为解决所述技术问题，本专利技术采用的技术方案为：
3、本专利技术提供一种基于分子动力学的纳米液膜沸腾换热模型的构建方法，纳米液膜由单工质组成，包括构建纳米液膜初始仿真模型步骤，划分模拟区域及确定边界条件步骤，选取势函数步骤，确定初始参数及弛豫平衡系综步骤，系统弛豫步骤，确定模拟相关参数及系综步骤，核心算法仿真计算步骤，以及数据处理与可
4、优选的，所述构建纳米液膜初始仿真模型步骤包括：构建包括固体基底和纳米液膜的模型，所述固体基底由以面心立方晶体结构排列的铂原子组成，所述纳米液膜由甲烷分子构成，所述纳米液膜放置在所述固体基底上方；
5、所述划分模拟区域及确定边界条件步骤包括：将所述模型的x方向和y方向都设置为周期性边界，z方向下方设置为固定边界，z方向上方设置为镜像边界；
6、所述选取势函数步骤包括：选择opls-aa势函数来描述所述纳米液膜分子之间的相互作用，选择lj势函数来描述所述固体基底铂原子之间的相互作用，通过对比不同分子个数系统的分子模拟得到的液相密度结果与refprop物性数据库得到的数据，来验证所述势函数的准确性及系统分子数对模拟结果的影响；
7、所述确定初始参数及弛豫平衡系综步骤包括：设置模拟时间步长和截断半径，确定所述模型的温度、速度初始参数，选择nve系综为系统的弛豫平衡系综；
8、所述系统弛豫步骤包括：采用berendsen热浴法在nve系综下对系统进行弛豫，使初始模型达到平衡状态；
9、所述确定模拟相关参数及系综步骤包括：非平衡模拟阶段采用nose-hover热浴法控制热源温度，选择铂原子基底nvt系综部分作为热源，设置热源温度高于纳米液膜分子的沸点；
10、所述核心算法仿真计算步骤包括：确定原子初始位置和速度，根据系统势能及原子受力，采用velocity-verlet法求解原子的运动方程，统计模拟过程中的原子信息和热力学参数；
11、所述数据处理与可视化处理步骤包括：模拟完成以后可得到整个模拟时间内所有的原子轨迹信息，通过origin软件进行数据处理，通过开源软件ovito进行可视化处理，实现对不同时刻粒子的微观运动状态进行定性的视觉分析。
12、优选的，所述构建纳米液膜初始仿真模型步骤采用materials studio软件完成模型构建，还包括对整个模拟体系进行力场施加和能量最小化后，将结构模型文件导出后由lammps软件转化为data文件。
13、优选的，所述固体基底由4704个铂原子以fcc排列方式组成，厚度为2.4nm，模型中甲烷液膜分子个数为1827，模拟系统的大小为5.5nm×5.5nm×800nm。
14、优选的，所述选取势函数步骤中选择opls-aa势函数来描述所述纳米液膜分子之间的相互作用包括：
15、u(r)＝ebond+eangle+etorsion+enb
16、
17、
18、
19、enb＝(eelec+el-j)fij
20、
21、
22、i，j分别为1和4时，fij＝0.5；其他情况下，fij＝1.0。
23、优选的，计算lj势能中的εij、σij采用lorentz-berthelot混合法则，公式为：
24、
25、优选的，所述确定初始参数及弛豫平衡系综步骤中时间步长设置为1fs，截断半径设置为弛豫平衡温度设置为105k，对整个系统进行4ns时间的模拟。
26、优选的，所述确定模拟相关参数及系综步骤中热源温度分别设置为200k、250k、300k和350k。
27、优选的，所述核心算法仿真计算步骤采用velocity-verlet法求解原子的运动方程，计算公式包括：
28、
29、
30、上述公式中，v(t)和v(t+δt)分别表示当前时刻和下一时刻原子速度，r(t)和r(t+δt)分别表示当前时刻和下一时刻原子坐标，δt表示时间间隔，a(t)和a(t+δt)分别表示当前时刻和下一时刻原子加速度。
31、优选的，所述固体基底从上到下分为三层，依次为nve系综、nvt系综和固定原子层。
32、与现有技术相比，本专利技术的有益效果在于：
33、本专利技术提供一种基于分子动力学的纳米液膜沸腾换热模型的构建方法，该方法基于微观尺度，以纳米液膜沸腾换热为研究对象，通过对纳米液膜发生的不同沸腾现象的沸腾换热过程进行分子动力学模拟研究，得到沸腾换热过程中各种热力学参数的分布及演化情况，揭示不同沸腾模式的产生机理，解决了宏观实验中沸腾换热机理难以揭示的问题，为沸腾换热理论研究提供了参考依据。
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1.一种基于分子动力学的纳米液膜沸腾换热模型的构建方法，其特征在于，纳米液膜由单工质组成，包括构建纳米液膜初始仿真模型步骤，划分模拟区域及确定边界条件步骤，选取势函数步骤，确定初始参数及弛豫平衡系综步骤，系统弛豫步骤，确定模拟相关参数及系综步骤，核心算法仿真计算步骤，以及数据处理与可视化处理步骤。
2.根据权利要求1所述的基于分子动力学的纳米液膜沸腾换热模型的构建方法，其特征在于，所述构建纳米液膜初始仿真模型步骤包括：构建包括固体基底和纳米液膜的模型，所述固体基底由以面心立方晶体结构排列的铂原子组成，所述纳米液膜由甲烷分子构成，所述纳米液膜放置在所述固体基底上方；
3.根据权利要求1所述的基于分子动力学的纳米液膜沸腾换热模型的构建方法，其特征在于，所述构建纳米液膜初始仿真模型步骤采用Materials Studio软件完成模型构建，还包括对整个模拟体系进行力场施加和能量最小化后，将结构模型文件导出后由Lammps软件转化为data文件。
4.根据权利要求3所述的基于分子动力学的纳米液膜沸腾换热模型的构建方法，其特征在于，所述固体基底由4704个
5.根据权利要求1所述的基于分子动力学的纳米液膜沸腾换热模型的构建方法，其特征在于，所述选取势函数步骤中选择OPLS-AA势函数来描述所述纳米液膜分子之间的相互作用包括：
6.根据权利要求5所述的基于分子动力学的纳米液膜沸腾换热模型的构建方法，其特征在于，计算LJ势能中的εij、σij采用Lorentz-Berthelot混合法则，公式为：
7.根据权利要求1所述的基于分子动力学的纳米液膜沸腾换热模型的构建方法，其特征在于，所述确定初始参数及弛豫平衡系综步骤中时间步长设置为1fs，截断半径设置为弛豫平衡温度设置为105K，对整个系统进行4ns时间的模拟。
8.根据权利要求1所述的基于分子动力学的纳米液膜沸腾换热模型的构建方法，其特征在于，所述确定模拟相关参数及系综步骤中热源温度分别设置为200K、250K、300K和350K。
9.根据权利要求1所述的基于分子动力学的纳米液膜沸腾换热模型的构建方法，其特征在于，所述核心算法仿真计算步骤采用Velocity-Verlet法求解原子的运动方程，计算公式包括：
10.根据权利要求1所述的基于分子动力学的纳米液膜沸腾换热模型的构建方法，其特征在于，所述固体基底从上到下分为三层，依次为NVE系综、NVT系综和固定原子层。
...【技术特征摘要】
1.一种基于分子动力学的纳米液膜沸腾换热模型的构建方法，其特征在于，纳米液膜由单工质组成，包括构建纳米液膜初始仿真模型步骤，划分模拟区域及确定边界条件步骤，选取势函数步骤，确定初始参数及弛豫平衡系综步骤，系统弛豫步骤，确定模拟相关参数及系综步骤，核心算法仿真计算步骤，以及数据处理与可视化处理步骤。
2.根据权利要求1所述的基于分子动力学的纳米液膜沸腾换热模型的构建方法，其特征在于，所述构建纳米液膜初始仿真模型步骤包括：构建包括固体基底和纳米液膜的模型，所述固体基底由以面心立方晶体结构排列的铂原子组成，所述纳米液膜由甲烷分子构成，所述纳米液膜放置在所述固体基底上方；
3.根据权利要求1所述的基于分子动力学的纳米液膜沸腾换热模型的构建方法，其特征在于，所述构建纳米液膜初始仿真模型步骤采用materials studio软件完成模型构建，还包括对整个模拟体系进行力场施加和能量最小化后，将结构模型文件导出后由lammps软件转化为data文件。
4.根据权利要求3所述的基于分子动力学的纳米液膜沸腾换热模型的构建方法，其特征在于，所述固体基底由4704个铂原子以fcc排列方式组成，厚度为2.4nm，模型中甲烷液膜分子个数为1827，模拟系统的大小为5.5nm×5.5nm×800nm。
【专利技术属性】
技术研发人员：刘纳，丁鑫，郭健翔，张林阳，王吉进，孙晋飞，赵向明，
申请(专利权)人：青岛理工大学，
类型：发明
国别省市：
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