[发明专利]分子动力学模拟中壁面边界的模拟方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种分子动力学模拟中的方法，尤其是模拟粒子在壁面边界条件下的运动轨迹的方法。

背景技术

现在越来越多的科学家用分子动力学方法模拟平行平板中流体和纳米通道内流体流动的动力学特性。随着研究的深入，科学家们开始对非平直纳米通道进行研究和采用分子动力学方法对此通道进行模拟，如：Xi-Jun Fan等人采用非平衡分子动力学方法模拟了简单流体在周期性喷管中的流动特性；为研究粗糙度对微通道内体流动及其边界滑移性质的影响，曹柄阳等人研究了氩气在锯齿状铂通道内的流动；J.Castillo-Tejas等人分别对线性聚合链和牛顿流体在4∶1∶4收缩-扩展通道中的流动过程进行了模拟。在使用分子动力学方法模拟两平板间和纳米通道内流体的流动特性时，以前的文献中对虚拟热壁面(Virtualthermal wall)情况下壁面边界条件的模拟有两种方法，一种是Allen，M.P.and D.J.Tildesley，在文献Computer Simulation of Liquids.中提出的全反射法，全反射法将壁面看成光滑镜面，粒子在壁面上发生镜面反射，采用全反射法模拟粒子在壁面边界条件下的运动轨迹参见图1(a)，当粒子从A点运动到B’时，由于虚拟壁面的存在，粒子不会在B’的位置出现，粒子会在壁面发生全反射后运动到B点，B与B’点关于壁面对称，与壁面平行坐标方向的速度矢量保持不变，与壁面垂直坐标方向的速度矢量大小保持不变，方向反向；虽然全反射法可以真实地反应出粒子在发生发射后的位置，但是全反射法不能模拟出粒子在定壁温和壁面不光滑的条件下的运动轨迹，并且如果在非平直纳米通道中，若采用全反射法来模拟粒子的壁面边界条件下的轨迹，则在计算速度矢量方面也存在一定的难度；另一种是Raraport，D.C.在文献The art of molecular dynamics simulation.中提出了随机反射法，随机反射法与物理上的漫发射对应，采用随机反射法模拟粒子在壁面边界条件下的运动轨迹参见图1(b)，粒子反射到B’向壁面做垂线的垂点B，速度大小由壁面温度确定，方向随机。虽然随机反射法可以模拟出壁面不光滑以及定壁温的物理条件，但是随机反射法由于粒子反射后的位置在壁面垂直方向的单一性，因此在模拟粒子运动轨迹的过程中存在一定的不真实性，不能真实反映出粒子反射后的位置。

因此，如何真实模拟粒子在壁面边界条件下的运动状态，成为了本领域内的研究人员急需解决的技术问题。

发明内容

针对现有技术存在的上述不足，本发明提供一种在分子动力学模拟中，当粒子处于壁面边界条件下时，可综合全反射法和随机反射法优点，真实体现粒子在壁面边界条件下的运动状态的壁面边界模拟方法。

为了实现上述发明目的，本发明采取以下技术方案：分子动力学模拟中壁面边界的模拟方法，其特征在于，所述模拟方法包含以下步骤：

A)定义分子动力学模拟中粒子的数据结构，粒子在三维模型中由六个信息来表示粒子在分子动力学模拟通道中的运动状态，所述六个信息分别是x方向坐标、y方向坐标、z方向坐标、x方向速度、y方向速度和z方向速度；其中x方向坐标为壁面横坐标，y方向坐标为壁面纵坐标，z方向为与XY平面垂直的方向；

B)确定粒子在通道中的当前位置A(x₀，y₀，z₀，u₀，v₀，w₀)，其中x₀表示粒子在x方向上的当前位置坐标，y₀表示粒子在y方向上的当前位置坐标，z₀表示粒子在z方向上的当前位置坐标，u₀表示粒子在x方向上的当前位置速度，v₀表示粒子在y方向上的当前位置速度，w₀表示粒子在z方向上的当前位置速度；

C)根据粒子当前位置及粒子受到其它粒子的作用力信息，确定粒子的运动方向，并根据粒子当前位置及受力信息判断粒子下一步是否会运动到壁面边界以外位置；如果粒子没有运动到壁面边界以外位置，则粒子会沿着确定的运动方向运动，到达下一步指定位置B’(x’，y’，z’，u’，v’，w’)，其中x’为粒子在x方向上的指定位置坐标，y’表示粒子在y方向上的指定位置坐标，z’表示粒子在z方向上的指定位置坐标，u’表示粒子在x方向上的指定位置速度，v’表示粒子在y方向上的指定位置速度，w’表示粒子在z方向上的指定位置速度；