用分子力學(xué)力場(chǎng)方法計(jì)算熱力學(xué)性質(zhì)以及預(yù)測(cè)極端狀態(tài)下的狀態(tài)函數(shù).pdf

1、本論文涉及分子力學(xué)力場(chǎng)(以下簡(jiǎn)稱力場(chǎng))方法及其模擬方法在計(jì)算工業(yè)流體熱力學(xué)性質(zhì)中的應(yīng)用。研究?jī)?nèi)容主要為力場(chǎng)開發(fā)和采用經(jīng)典力場(chǎng)結(jié)合分子模擬方法解決實(shí)際問(wèn)題:第一,采用TEAM力場(chǎng)方法推導(dǎo)、開發(fā)得到準(zhǔn)確的分子力學(xué)力場(chǎng);第二,多種模擬方法相結(jié)合,在統(tǒng)一的力場(chǎng)前提下同時(shí)預(yù)測(cè)體系的多種熱力學(xué)動(dòng)力學(xué)性質(zhì);第三,采用分子動(dòng)力學(xué)方法預(yù)測(cè)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(fù)雜混合流體計(jì)算中力場(chǎng)參數(shù)的影響。
　　本論文的研究

2、思路為以力場(chǎng)開發(fā)為基礎(chǔ)。準(zhǔn)確的力場(chǎng)參數(shù)是進(jìn)行模擬、對(duì)體系進(jìn)行研究的基礎(chǔ)。根據(jù)TEAM力場(chǎng)的思想開發(fā)得到研究體系的力場(chǎng)參數(shù)。擬合過(guò)程具有明確的物理意義,以保證得到力場(chǎng)參數(shù)的合理性和可靠性。關(guān)注于模擬方法的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。工業(yè)流體性質(zhì)的計(jì)算是分子模擬方法可以發(fā)揮其作用的潛在領(lǐng)域。在同一個(gè)力場(chǎng)的前提下,同時(shí)預(yù)測(cè)體系的多種物理化學(xué)性質(zhì)具有重要的工業(yè)應(yīng)用價(jià)值。同時(shí),準(zhǔn)確預(yù)測(cè)多種熱力學(xué)性質(zhì)也反映了TEAM力場(chǎng)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(shì),即在極端條件上,實(shí)驗(yàn)手段很難達(dá)到甚至無(wú)法實(shí)施時(shí),分子模擬方法是合適的替代。最后,關(guān)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(lǐng)域中關(guān)鍵問(wèn)題,另一方面,對(duì)于這種復(fù)雜混合物體系的研究也對(duì)開發(fā)混合物力場(chǎng)具有指導(dǎo)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(chǎng)方法開發(fā)可靠的、能夠準(zhǔn)確反映研究體系物理化學(xué)狀態(tài)的分子力場(chǎng)。TEAM力場(chǎng)的指導(dǎo)思想是開發(fā)具有可遷移性、可擴(kuò)展

4、性、準(zhǔn)確性和模塊化的力場(chǎng)。在TEAM力場(chǎng)方法中,采用基于結(jié)構(gòu)的原子類型定義方法以確保分子模擬及力場(chǎng)擴(kuò)展過(guò)程的準(zhǔn)確性和完整性。力場(chǎng)的參數(shù)化方法可確保所得到的分子力場(chǎng)重現(xiàn)分子的結(jié)構(gòu)、振動(dòng)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(dǎo)得到了初始非鍵參數(shù)。這套力場(chǎng)擬合方法對(duì)于在力場(chǎng)缺失的情況下開發(fā)得到準(zhǔn)確力場(chǎng)參數(shù)有重要意義。2.采用一個(gè)分子力學(xué)力場(chǎng)同時(shí)預(yù)測(cè)多種熱力學(xué)、動(dòng)力學(xué)性質(zhì)。分子力場(chǎng)精確度與計(jì)算方法置信度的耦

5、合是人們?cè)诳疾旖?jīng)典分子力學(xué)力場(chǎng)在計(jì)算熱力學(xué)、動(dòng)力學(xué)性質(zhì)準(zhǔn)確性的最大障礙。在本論文中,我們系統(tǒng)的研究了各種計(jì)算體系熱力學(xué)、動(dòng)力學(xué)性質(zhì)方法的優(yōu)勢(shì)和局限性。在此基礎(chǔ)上我們采用同一個(gè)分子力場(chǎng)同時(shí)準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)了體系的氣液相平衡及臨界性質(zhì),與漲落有關(guān)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(kuò)散系數(shù)、熱傳導(dǎo)系數(shù)等。這為采用經(jīng)典分子力學(xué)力場(chǎng)模擬計(jì)算工業(yè)流體參數(shù)提供了一個(gè)很好的范例。3.極端條件下的狀態(tài)函數(shù)在實(shí)驗(yàn)上很難獲得的數(shù)據(jù)。采用計(jì)算

6、機(jī)分子模擬方法是解決這一問(wèn)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(gè)工作中,我們采用TEAM力場(chǎng)方法擬合得到合理的TATB經(jīng)典分子力學(xué)力場(chǎng)參數(shù),解決了文獻(xiàn)報(bào)道中TATB力場(chǎng)參數(shù)不準(zhǔn)確的問(wèn)題。以此為基礎(chǔ),采用文獻(xiàn)報(bào)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(dòng)

7、力學(xué)模擬預(yù)測(cè)得到的沖擊波作用下體系的狀態(tài)函數(shù)與已有的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)相比較具有相當(dāng)?shù)臏?zhǔn)確性。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(jì)算。研究發(fā)現(xiàn),對(duì)于純態(tài)體系,只要擬合得到合適的純態(tài)分子力場(chǎng),通過(guò)經(jīng)典分子動(dòng)力學(xué)模擬可以準(zhǔn)確的得到體系的熱力學(xué)動(dòng)力學(xué)參數(shù)。但是對(duì)于復(fù)雜混合流體、界面體系,在經(jīng)典分子動(dòng)力學(xué)領(lǐng)域還有許多未解決的問(wèn)題,特別是混合物力場(chǎng)問(wèn)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