微孔中流體擴(kuò)散系數(shù)的分子動(dòng)力學(xué)模擬.pdf

1、在過去的幾年里，計(jì)算機(jī)模擬越來越被認(rèn)為是研究宏量流體性質(zhì)和限制在微孔中流體性質(zhì)的一門重要工具。同時(shí)，由于諸如納米機(jī)器和微尺度存儲(chǔ)材料等納米技術(shù)富有成效的研究和發(fā)展更是有力的推動(dòng)了微尺度計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)的發(fā)展。流體的傳遞性質(zhì)包括粘度，熱導(dǎo)系數(shù)和擴(kuò)散系數(shù)，這三種傳遞性質(zhì)分別反映了流體三傳過程(動(dòng)量，能量和質(zhì)量)中的動(dòng)力學(xué)特性。它們是解釋流體從馳豫到平衡整個(gè)過程中流體的動(dòng)力學(xué)和熱力學(xué)振蕩的重要依據(jù)，因此也是化工，材料，醫(yī)藥，能源，環(huán)保以及多種微

2、儀器(如微反應(yīng)器，微熱交換器和微流控系統(tǒng))研究和設(shè)計(jì)必不可少的重要數(shù)據(jù)。從另一方面來說，在存在外力場或外加溫度時(shí)，流體的傳遞性質(zhì)對(duì)于獲得一個(gè)完整的流體統(tǒng)一理論也是必不可少的，而這些傳遞性質(zhì)往往很難依靠常規(guī)實(shí)驗(yàn)方法獲得，因此，計(jì)算機(jī)模擬手段在這些領(lǐng)域的應(yīng)用越來越體現(xiàn)出它自身的優(yōu)越性。總之，用計(jì)算機(jī)模擬手段獲得流體的傳遞性質(zhì)在當(dāng)前已經(jīng)是一個(gè)研究非常活躍的科研領(lǐng)域。 微孔材料的吸收和催化特性主要是由于微孔中流體的傳遞性質(zhì)擴(kuò)散系數(shù)引起的

3、。因此，對(duì)微孔中流體的系統(tǒng)研究對(duì)于流體在微孔中的催化和吸附等過程的優(yōu)化是非常重要和具有工業(yè)應(yīng)用意義及學(xué)術(shù)價(jià)值的。例如，特定溫度和濃度下流體的自擴(kuò)散系數(shù)對(duì)于設(shè)計(jì)石油精煉，固體表面清洗和芳香油提煉等工藝過程是一個(gè)必要的化工參數(shù)。本文的研究內(nèi)容主要有： 1．運(yùn)用分子動(dòng)力學(xué)研究了在200K和300K下限制在金屬有機(jī)骨架材料MOF-5中Ar-Kr二元混合物的互擴(kuò)散系數(shù)，并且討論了距離擴(kuò)散系數(shù)和互擴(kuò)散系數(shù)之間的關(guān)系。發(fā)現(xiàn)互擴(kuò)散系數(shù)和各組份自

4、擴(kuò)散系數(shù)的比率R=D<,12>/D<,s>在300K時(shí)只有0.9013，比起200K時(shí)R=0.7716要小的多。我們通過運(yùn)動(dòng)軌跡分析，認(rèn)為是MOF-5微孔中的吸附點(diǎn)影響了客體原子(如Ar或Kr原子)的運(yùn)動(dòng)，進(jìn)一步改變了客體原子的擴(kuò)散性質(zhì)，并且溫度越低相應(yīng)的影響越大。同時(shí)，還簡單地討論了客體原子的徑向分布函數(shù)隨溫度的變化。 2．分子動(dòng)力學(xué)模擬為人們提供一種了解宏量流體以及微孔中流體各種性質(zhì)的手段。我們運(yùn)用分子動(dòng)力學(xué)模擬方法研究了不

5、同溫度，不同流體密度和不同微孔孔徑流體甲烷在云母片窄縫孔中的自擴(kuò)散系數(shù)，并且基于Chapman-Enskog動(dòng)力學(xué)理論以及Heyes對(duì)該動(dòng)力學(xué)理論的拓展，運(yùn)用數(shù)值分析的方法得到了溫度，流體密度和微孔孔徑的數(shù)學(xué)關(guān)聯(lián)模型。最后，將所得到的數(shù)學(xué)關(guān)聯(lián)模型用在微孔中流體水和氬的文獻(xiàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了驗(yàn)證，結(jié)果表明所得到的兩個(gè)數(shù)學(xué)關(guān)聯(lián)模型對(duì)微孔流體的平均相對(duì)誤差通常小于13％。 3．一方面，依據(jù)各種宏量流體自擴(kuò)散系數(shù)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和模擬數(shù)據(jù)，得到了宏量

6、流體自擴(kuò)散系數(shù)和相應(yīng)流體密度和溫度的關(guān)系，并且基于這些關(guān)系給出了一個(gè)宏量流體自擴(kuò)散系數(shù)相對(duì)于相應(yīng)的密度和溫度的數(shù)學(xué)關(guān)聯(lián)模型。我們發(fā)現(xiàn)宏量流體的自擴(kuò)散系數(shù)(無單位化)正比于約化溫度的0.2次方，而反比于約化流體密度。所得方程的擬合值具有較好的重現(xiàn)性，平均相對(duì)誤差通常小于10％。另一方面，類似宏量流體自擴(kuò)散系數(shù)和流體密度及溫度的關(guān)系，我們給出了微孔中流體的自擴(kuò)散系數(shù)和流體密度，溫度以及微孔孔徑的數(shù)學(xué)關(guān)聯(lián)模型。我們認(rèn)為，微孔中流體的自擴(kuò)散系數(shù)