预测水铜纳米颗粒流体流动参数及纳米颗粒运动状态的方法

1.本发明涉及一种预测水铜纳米颗粒流体流动参数及纳米颗粒运动状态的方法，属于分子模拟技术领域。


背景技术：

2.纳米流体是通过基液以及纳米颗粒混合制备而成，作为新兴的纳米材料，优秀的传热以及输送能力，有必须要深入研究。传统的宏观运动模型已经无法准确的预测微观流体的运动模型。在制备纳米流体中，经常会加入试剂来阻止纳米颗粒团聚，然而在制备以及应用前难以预测制备到实现使用的预期效果以及纳米流体投入使用后外部各种复杂的情况对纳米流体产生的各种影响。


技术实现要素：

3.本发明的目的在于提供一种预测水铜纳米颗粒流体流动参数及纳米颗粒运动状态的方法，利用非平衡分子动力学模拟纳米流体流动达到稳定测试速度、密度、温度、滑移长度，以及纳米颗粒不同时间的运动状态以及颗粒聚集的时间，用于研究水和铜纳米颗粒在铜壁流道内的运动规律，给宏观实验无法实现的环境提供运动参考。
4.本发明采用的技术方案是：一种预测水铜纳米颗粒流体流动参数及纳米颗粒运动状态的方法，包括如下步骤：
5.1)建立模型：在分子动力学软件lammps中设定模型建立所需要的参数：
6.建立模型上下流道壁面；
7.划分流道区域；
8.设置铜纳米颗粒的位置；
9.2)定义原子，即填充步骤1)中流道区域相对应的原子数：
10.填充原子，设定相应的摩尔质量；
11.3)力场平衡，模拟现实中的真实力：
12.设定不同力场参数，实现亲水和疏水壁面；
13.4)进行能量最小化：
14.达到体系平衡，模拟准备；
15.5)进行温度弛豫，达到热力学平衡：
16.把温度设置为300k，达到常温；
17.6)进行仿真：
18.设定力大小，使流体流动到一个稳定的流速；
19.设定时间步长；
20.对模型进行分层，采集数据并输出数据，采集的数据包括温度、速度、密度以及纳米颗粒的运动参数；
21.7)数据后处理：
22.对步骤6)输出的数据，通过origin软件对达到稳定流速的流体进行速度、密度、温度、滑移长度数据图的描绘，通过ovito软件进行分子可视化运动处理，包括纳米流体中纳米颗粒的运动规律以及最终聚集时间。
23.具体地，所述的步骤1)中，将上下限制流体流动的壁面实现圆形，正方形，三角形的建模实现不同形状的粗糙壁面，采用分块命令划分所需要的流道区域，铜纳米颗粒根据圆心和半径确定其位置。
24.具体地，所述的步骤3)中，通过改变势函数，从而模拟不同亲水(对水分子表现出吸引力)和疏水性(对水分子没有吸引力)壁面对流体的影响。
25.具体地，所述的步骤6)中，根据模型的大小，从而改变施加力的大小。
26.本发明的有益效果是：可以准确的研究微观泊肃叶流动下纳米颗粒流体的温度速度密度滑移长度的曲线趋势，以及纳米颗粒的运动状态以及聚集时间。
附图说明
27.图1为本实验模拟流程图；
28.图2是基础模型建议代码图；
29.图3是模型图；
30.图4是不同粗糙度图；
31.图5是速度图；
32.图6是密度图；
33.图7是温度图；
34.图8是速度滑移图；
35.图9是不同时间的纳米颗粒运动图和纳米颗粒聚集图。
具体实施方式
36.为了更好的说明本发明的技术方案，下面结合附图对本发明的附图和具体实施例进行详细描述。
37.实施例1：一种预测水铜纳米颗粒流体流动参数及纳米颗粒运动状态的方法，其特征在于：包括如下步骤：
38.1)建立模型：在lammps(分子动力学软件)软件中设定模型建立所需要的参数：
39.建立模型上下流道壁面；
40.划分流道区域；
41.设置铜纳米颗粒的位置；
42.2)定义原子，即填充步骤1)中流道区域相对应的原子数：
43.填充原子，设定相应的摩尔质量；
44.3)力场平衡，模拟现实中的真实力：
45.设定不同力场参数，实现亲水(对水分子表现出吸引力)和疏水(对水分子没有吸引力)壁面；
46.4)进行能量最小化：
47.达到体系平衡，模拟准备；
48.5)进行温度弛豫，达到热力学平衡：
49.把温度设置为300k，达到常温；
50.6)进行仿真：
51.设定力大小；使流体流动到一个稳定的流速
52.设定时间步长；
53.对模型进行分层，采集数据并输出数据，采集的数据包括温度、速度、密度以及纳米颗粒的运动参数；
54.7)对步骤6)输出的数据，通过origin软件对达到稳定流速的流体进行速度、密度、温度、滑移长度数据图的描绘，通过ovito软件进行分子可视化运动处理，包括纳米流体中纳米颗粒的运动规律以及最终聚集时间。
55.进一步地，所述的步骤1)中，将上下限制流体流动的壁面实现圆形，正方形，三角形的建模实现不同形状的粗糙壁面，采用分块命令划分所需要的流道区域，铜纳米颗粒根据圆心和半径确定其位置。
56.进一步地，所述的步骤3)中，通过改变势函数，从而模拟不同亲水(对水分子表现出吸引力)和疏水性(对水分子没有吸引力)壁面对流体的影响。
57.进一步地，所述的步骤6)中，根据模型的大小，从而改变施加力的大小。
58.下面结合具体数据，对本发明进行详细说明。
59.使用lammps建模，首先建立模型盒子确定模型大小，模型在x和y采用周期性条件用于无限流动，z方向采用固定边界条件固定边界，指令中对应为ppf。分区进行铜原子壁面建立，填充原子，达到建立壁面。对两壁面进行填充水分子，实现流体条件。并在流体中添加同纳米颗粒。建出计算需要的模型。模型的代码如图2所示。
60.改变流道形状实现不同的粗糙度。粗糙度模型和常规流体模型如图3和图4所示。
61.对模型进行velocity+nvt初始温度设置并运行达到常温300k，实现平衡。具体实现代码如下velocity create 300.0 4922029rot yes distgaussian+fix all nve，velocity代表初始温度创建指令，create代表创建温度，300k代表温度，4922029代表随机数，rotyesdistgaussian代表服从高斯分布。fix代表系综命令，all代表本文发明模型nve代表系综命令。
62.对流道内水分子施加通道方向的力，使流体达到一个稳定的流速。具体实现代码如下，fix addforce 0.0006 0.0 0.0，fix代表施加力命令，addforce代表施加力的大小指令，0.006代表施加x方向的力，两个0.0分别代表了在y和z方向上的力为0.
63.对达到一个稳定的流速的流体进行分层，统计速度，密度，温度分布。对纳米颗粒流体进行可视化处理，采集不同时间纳米颗粒的运动状态数据。
64.运用绘图软件origin分析速度，密度，温度分布和速度滑移的数据开始绘制图表并进行分析。得出速度，密度，温度速度滑移分布图。如图5，图6，图7，图8所示。
65.运用分子可视化软件ovito分析不同时间纳米颗粒运动规律和最终纳米颗粒团聚的运动图如图9所示。
66.以上结合附图对本发明的具体实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。