用分子力學力場方法計算熱力學性質(zhì)以及預測極端狀態(tài)下的狀態(tài)函數(shù).pdf

1、本論文涉及分子力學力場(以下簡稱力場)方法及其模擬方法在計算工業(yè)流體熱力學性質(zhì)中的應用。研究內(nèi)容主要為力場開發(fā)和采用經(jīng)典力場結(jié)合分子模擬方法解決實際問題:第一,采用TEAM力場方法推導、開發(fā)得到準確的分子力學力場;第二,多種模擬方法相結(jié)合,在統(tǒng)一的力場前提下同時預測體系的多種熱力學動力學性質(zhì);第三,采用分子動力學方法預測極端條件下,即沖擊波作用下含能材料體系的狀態(tài)函數(shù);第四,研究復雜混合流體計算中力場參數(shù)的影響。
　　本論文的研究

2、思路為以力場開發(fā)為基礎。準確的力場參數(shù)是進行模擬、對體系進行研究的基礎。根據(jù)TEAM力場的思想開發(fā)得到研究體系的力場參數(shù)。擬合過程具有明確的物理意義,以保證得到力場參數(shù)的合理性和可靠性。關注于模擬方法的實際應用價值。工業(yè)流體性質(zhì)的計算是分子模擬方法可以發(fā)揮其作用的潛在領域。在同一個力場的前提下,同時預測體系的多種物理化學性質(zhì)具有重要的工業(yè)應用價值。同時,準確預測多種熱力學性質(zhì)也反映了TEAM力場參數(shù)的可靠性。含能材料TATB的研究展示了

3、分子模擬的另外一方面優(yōu)勢,即在極端條件上,實驗手段很難達到甚至無法實施時,分子模擬方法是合適的替代。最后,關于表面活性劑體系的研究,一方面擬采用分子模擬方法解決表面活性劑界面張力這一熱門領域中關鍵問題,另一方面,對于這種復雜混合物體系的研究也對開發(fā)混合物力場具有指導意義。論文研究工作得到了以下主要的結(jié)果與結(jié)論:1.采用TEAM力場方法開發(fā)可靠的、能夠準確反映研究體系物理化學狀態(tài)的分子力場。TEAM力場的指導思想是開發(fā)具有可遷移性、可擴展

4、性、準確性和模塊化的力場。在TEAM力場方法中,采用基于結(jié)構的原子類型定義方法以確保分子模擬及力場擴展過程的準確性和完整性。力場的參數(shù)化方法可確保所得到的分子力場重現(xiàn)分子的結(jié)構、振動頻率、二面角旋轉(zhuǎn)位壘等氣相性質(zhì),在擬合范德華參數(shù)中,我們采用了試探粒子方法推導得到了初始非鍵參數(shù)。這套力場擬合方法對于在力場缺失的情況下開發(fā)得到準確力場參數(shù)有重要意義。2.采用一個分子力學力場同時預測多種熱力學、動力學性質(zhì)。分子力場精確度與計算方法置信度的耦

5、合是人們在考察經(jīng)典分子力學力場在計算熱力學、動力學性質(zhì)準確性的最大障礙。在本論文中,我們系統(tǒng)的研究了各種計算體系熱力學、動力學性質(zhì)方法的優(yōu)勢和局限性。在此基礎上我們采用同一個分子力場同時準確的預測了體系的氣液相平衡及臨界性質(zhì),與漲落有關的性質(zhì)如恒壓熱容、熱漲系數(shù)、壓縮系數(shù),傳遞性質(zhì)如剪切粘度、擴散系數(shù)、熱傳導系數(shù)等。這為采用經(jīng)典分子力學力場模擬計算工業(yè)流體參數(shù)提供了一個很好的范例。3.極端條件下的狀態(tài)函數(shù)在實驗上很難獲得的數(shù)據(jù)。采用計算

6、機分子模擬方法是解決這一問題的途徑之一。
　　在本文中,我們以三硝基三氨基苯(TATB)為例,研究了在沖擊波作用下體系的狀態(tài)函數(shù)。在這個工作中,我們采用TEAM力場方法擬合得到合理的TATB經(jīng)典分子力學力場參數(shù),解決了文獻報道中TATB力場參數(shù)不準確的問題。以此為基礎,采用文獻報道中的AE-EOS(adaptative Erpenbeck Equation of State)模擬得到TATB爆炸前的Hugoniot曲線。經(jīng)典分子動

7、力學模擬預測得到的沖擊波作用下體系的狀態(tài)函數(shù)與已有的實驗數(shù)據(jù)相比較具有相當?shù)臏蚀_性。4.空氣/表面活性劑/水體系和油/表面活性劑/水體系的表面張力的計算。研究發(fā)現(xiàn),對于純態(tài)體系,只要擬合得到合適的純態(tài)分子力場,通過經(jīng)典分子動力學模擬可以準確的得到體系的熱力學動力學參數(shù)。但是對于復雜混合流體、界面體系,在經(jīng)典分子動力學領域還有許多未解決的問題,特別是混合物力場問題。在本文中,我們以空氣/表面活性劑/水體系和油/表面活性劑/水體系的表面張力