[发明专利]一种非平衡分子动力学模拟计算分子扩散系数的方法

说明书

本发明提供一种非平衡分子动力学模拟计算分子扩散系数的方法，该方法单纯采用分子动力学模拟直接计算出混合物中各组分沿扩散方向的浓度梯度及扩散通量，从而能够精确的计算出各组分的分子扩散系数；本发明方法与双控制体积巨正则分子动力学(DCV‑GCMD)模拟方法相比，本发明有效的提高了模拟效率，而且显著的降低了模拟程序编写中的难度。

技术领域

本发明属于微纳尺度分子模拟技术领域，涉及一种非平衡分子动力学模拟计算分子扩散系数的方法。

背景技术

吸附与吸收是化工分离的重要手段，广泛应用于CO₂回收、废气及废水处理领域。而分子扩散是吸附及吸收的重要影响因素。采用分子模拟手段可从微观角度探讨分子扩散过程的机理。

目前采用分子模拟计算分子扩散系数主要采用双控制体积巨正则分子动力学(DCV-GCMD)方法。然而，该方法存在着以下缺陷：

1）巨正则蒙特卡洛(GCMC)方法中插入删除的比例与分子动力学(MD)步相比不够大时，将导致错误结果；

2）由于DCV-GCMD模拟同时涉及GCMC与MD两个过程，模拟过程中会消耗大量的计算机时，同时程序的编写难度也较大。

鉴于此，本发明旨在探索一种非平衡分子动力学模拟计算分子扩散系数的新方法，以弥补DCV-GCMD方法的不足，提高计算效率。

发明内容

本发明的目的在于提供一种非平衡分子动力学模拟计算分子扩散系数的方法，该方法能够单纯采用分子动力学模拟直接计算出混合物中各组分沿扩散方向的浓度梯度及扩散通量，从而能够精确的计算出各组分的分子扩散系数。

为达到以上目的，本发明提供如下技术方案：

一种非平衡分子动力学模拟计算分子扩散系数的方法，该方法包括以下步骤：

S1：计算混合物(含组分1与组分2两种组分)中组分1在高浓度端与低浓度端的摩尔浓度c_h与c_l；

S2：计算组分1在时间t内通过某一截面E的净分子数目N；

S3：通过以下公式计算组分1的扩散系数D，

式中，N为通过截面E的净分子数目；L为高浓度端与低浓度端之间的距离；N_A为阿伏伽德罗常数；A为截面E的横截面积；t为统计时间；c_h与c_l分别表示组分1在高浓度区与低浓度区的摩尔浓度。

进一步，所述S1计算组分1在高浓度端与低浓度端的摩尔浓度c_h与c_l，具体步骤如下：