一种基于分子动力学的混合工质沸腾换热模型的构建方法与流程

本发明属于沸腾换热仿真，尤其涉及一种基于分子动力学的混合工质沸腾换热模型的构建方法。

背景技术：

1、沸腾换热因具有较高的换热系数被广泛用于需要高效冷却和强化换热的工业场合。非共沸混合工质热物性设计灵活、工况适应性好，在制冷、能源动力等诸多工程领域中极具发展前景，成为新兴技术发展方向。由于存在温度滑移，非共沸混合工质发生沸腾换热时相变温度会随热源温度变化，可以减少热交换过程中的不可逆损失。因此，非共沸混合工质的沸腾换热在热交换系统中得到广泛应用。已有研究表明，由于沸点不同，混合工质沸腾换热过程中，气液界面会存在温度滑移和浓度梯度，造成传质阻力，导致混合工质的沸腾换热系数低于纯工质。

2、然而，宏观实验测试难以揭示换热性能弱化及传质阻力的微观机理。因此，基于分子动力学方法构建混合工质沸腾换热模型，探究气液界面温度和组分浓度分布演化特性，对深入理解混合工质沸腾换热机理具有重要意义。

技术实现思路

1、针对现有技术存在的不足之处，本发明所要解决的技术问题是宏观实验测试难以揭示换热性能弱化及传质阻力的微观机理的问题，提出一种从微观层面探究混合工质沸腾换热中气液界面温度和浓度的分布演化特征，从而揭示混合工质沸腾换热机理的基于分子动力学的混合工质沸腾换热模型的构建方法。

2、为解决所述技术问题，本发明采用的技术方案为：

3、本发明提供一种基于分子动力学的混合工质沸腾换热模型的构建方法，混合工质包括甲烷分子和乙烷分子，包括：构建混合工质初始结构模型步骤，确定模拟区域及边界条件步骤，选取势函数步骤，确定初始参数及系综步骤，系统弛豫步骤，确定模拟参数及系综步骤，仿真计算步骤，以及模拟结果后处理步骤；

4、所述确定模拟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，设置热源温度高于混合工质各组分的沸点，且在所述热源温度下，所述甲烷分子和所述乙烷分子发生相同的沸腾现象。

5、优选的，所述热源温度为200k和350k。

6、优选的，所述构建混合工质初始结构模型步骤包括：构建包括固体基底和混合工质的模型，所述固体基底由以面心立方晶体结构排列的铂原子组成，所述混合工质由不同组分配比的甲烷分子和乙烷分子组成，所述混合工质放置在所述固体基底上方；

7、所述确定模拟区域及边界条件步骤包括：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；

8、所述选取势函数步骤包括：选择opls-aa势函数来描述所述混合工质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；

9、所述确定初始参数及系综步骤包括：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；

10、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；

11、所述仿真计算步骤包括：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；

12、所述模拟结果后处理步骤包括：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。

13、优选的，所述构建混合工质初始结构模型步骤采用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。

14、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，所述混合工质中的所述甲烷分子和所述乙烷分子发生相同的沸腾现象，模拟系统的大小为5.5nm×5.5nm×800nm。

15、优选的，所述选取势函数步骤中选择opls-aa势函数来描述所述混合工质分子之间的相互作用包括：

16、u(r)＝ebond+eangle+etorsion+enb

17、

18、

19、

20、enb＝(eelec+el-j)fij

21、

22、

23、i，j分别为1和4时，fij＝0.5；其他情况下，fij＝1.0。

24、优选的，计算lj势能中的εij、σij采用lorentz-berthelot混合法则，公式为：

25、

26、优选的，所述确定初始参数及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。

27、优选的，所述仿真计算步骤采用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，本发明的有益效果在于：

33、本发明提供一种基于分子动力学的混合工质沸腾换热模型的构建方法，基于微观尺度，以混合工质沸腾换热为研究对象，通过对混合工质沸腾换热过程进行分子动力学模拟，对传热传质阻力进行分析，揭示混合工质沸腾换热的传热传质机理，从微观层面探究混合工质沸腾换热中气液界面温度和浓度的分布演化特征，从而揭示混合工质沸腾换热机理。

技术特征：

1.一种基于分子动力学的混合工质沸腾换热模型的构建方法，其特征在于，混合工质包括甲烷分子和乙烷分子，包括：构建混合工质初始结构模型步骤，确定模拟区域及边界条件步骤，选取势函数步骤，确定初始参数及系综步骤，系统弛豫步骤，确定模拟参数及系综步骤，仿真计算步骤，以及模拟结果后处理步骤；

2.根据权利要求1所述的基于分子动力学的混合工质沸腾换热模型的构建方法，其特征在于，所述热源温度为200k和350k。

3.根据权利要求1所述的基于分子动力学的混合工质沸腾换热模型的构建方法，其特征在于，所述构建混合工质初始结构模型步骤包括：构建包括固体基底和混合工质的模型，所述固体基底由以面心立方晶体结构排列的铂原子组成，所述混合工质由不同组分配比的甲烷分子和乙烷分子组成，所述混合工质放置在所述固体基底上方；

4.根据权利要求1所述的基于分子动力学的混合工质沸腾换热模型的构建方法，其特征在于，所述构建混合工质初始结构模型步骤采用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。

5.根据权利要求4所述的基于分子动力学的混合工质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，所述混合工质中的所述甲烷分子和所述乙烷分子发生相同的沸腾现象，模拟系统的大小为5.5nm×5.5nm×800nm。

6.根据权利要求1所述的基于分子动力学的混合工质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势函数来描述所述混合工质分子之间的相互作用包括：

7.根据权利要求6所述的基于分子动力学的混合工质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：

8.根据权利要求1所述的基于分子动力学的混合工质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。

9.根据权利要求1所述的基于分子动力学的混合工质沸腾换热模型的构建方法，其特征在于，所述仿真计算步骤采用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混合工质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。

技术总结
本发明公开了一种基于分子动力学的混合工质沸腾换热模型的构建方法，属于沸腾换热仿真技术领域。混合工质包括甲烷分子和乙烷分子，包括：构建混合工质初始结构模型步骤，确定模拟区域及边界条件步骤，选取势函数步骤，确定初始参数及系综步骤，系统弛豫步骤，确定模拟参数及系综步骤，仿真计算步骤，以及模拟结果后处理步骤。本发明应用于混合工质沸腾换热机理研究方面，解决宏观实验测试难以揭示换热性能弱化及传质阻力的微观机理的问题，能够从微观层面探究混合工质沸腾换热中气液界面温度和浓度的分布演化特征，从而揭示混合工质沸腾换热机理。

技术研发人员：于丽明,初正崑,郭健翔,刘纳,张林阳,王吉进,孙晋飞,赵向明
受保护的技术使用者：青岛娄山河水务资源有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/4/17