[发明专利]一种基于分子动力学的材料表面结冰形核过程的监测方法

权利要求书

1.一种基于分子动力学的材料表面结冰形核过程的监测方法，其特征在于，包括以下步骤：

Step1：用分子动力学仿真软件LAMMPS建立不同形状微结构与水的接触模型，或者，不设置微结构，直接建立平面基体与水的接触模型；

Step2：用分子动力学仿真软件LAMMPS对Step1中的接触模型进行初始化准备，得到平衡模型；

Step3：用分子动力学仿真软件LAMMPS对Step2得到的平衡模型进行可以使水分子发生结冰形核的动力学弛豫，在一个大气压下设定模拟温度为冰点以下的任意温度，同时设定动力学弛豫时间，保证系统中的水分子完成形核结冰过程，设定输出步长，利用dump命令输出各个状态点水分子与基体的坐标；

Step4：对于Step3得到的坐标信息，利用q6空间矢量判定程序判定每个分子的结冰状态，输出每一个状态点的结冰分子数量，得到数据后利用origin软件作图，得到结冰分子数量与时间的关系图，记录结冰分子数量结束震荡迅速上升的时间作为形核过程发生的时间，记录结冰分子数量停止上升趋于平缓的时间作为结冰过程结束的时间；

Step5：截取形核结冰过程发生时间段内的数据，输出每个状态点各个分子的结冰状态与坐标，得到分子状态与坐标信息Dat文件，将Dat文件输入TECPLOT软件中，绘制三维空间粒子分布云图，自定义不同的颜色分别表示三种不同的粒子，分析水分子形核的位置；

Step6：从Step5得到的Dat文件中提取已结冰的分子坐标，利用q3空间矢量判定程序判定每个结冰分子的晶型并分类输出晶型状态和坐标信息，统计立方晶型分子与六方晶型分子数量，得到分子状态与坐标信息Dat文件，将Dat文件输入TECPLOT软件中，绘制三维空间粒子分布云图，自定义不同的颜色分别表示立方晶型和六方晶型分子，统计两种晶型分子的数量并利用Origin软件绘图得到六方晶型分子与立方晶型分子数量随时间的变化趋势，分析结冰形核过程中晶型分布情况。

2.根据权利要求1所述的基于分子动力学的材料表面结冰形核过程的监测方法，其特征在于，在Step1中，建立不同形状微结构与水的接触模型的方法具体如下：

采用三维周期盒子，首先在XY方向上建立无限长且厚度一定的平面基体，在平面基体上建立一定数量的微结构，固定微结构与平面基体的原子坐标形成材料基体，随后在微结构上建立一定数量的水分子，保证水分子与平面基体在截断半径内，最后进行能量最小化。

3.根据权利要求2所述的基于分子动力学的材料表面结冰形核过程的监测方法，其特征在于，微结构的形状和分布状态根据材料表面的微结构的形状和分布状态进行设定。

4.根据权利要求1所述的基于分子动力学的材料表面结冰形核过程的监测方法，其特征在于，在Step1中，不设置微结构，直接建立平面基体与水的接触模型的方法具体如下：

采用三维周期盒子，首先在XY方向上建立无限长且厚度一定的平面基体，固定平面基体的原子坐标，随后在平面基体上建立一定数量的水分子，保证水分子与平面基体在截断半径内，最后进行能量最小化。

5.根据权利要求1所述的基于分子动力学的材料表面结冰形核过程的监测方法，其特征在于，在Step2中，对Step1中的接触模型进行初始化准备的方法具体如下：

赋予基体原子和水分子质量，粒子初始速度为常温下的粒子速度，采用SW粗粒化势描述基体与水分子之间的相互作用，根据模拟体系设定SW势函数参数，将系统处于300k、一个大气压下进行一定时间的可以使水分子发生结冰形核的动力学弛豫，系综选择为NPT，积分步长视情况而定，使系统达到平衡、密度合理。

6.根据权利要求5所述的基于分子动力学的材料表面结冰形核过程的监测方法，其特征在于，SW势函数具体表现形式为：

式中，i、j、k代表三个相互作用的粒子；

ε为能量参数，表征粒子之间的相互作用强度；

σ为距离参数，表征截断半径；

θ_ijk为i、j、k三个粒子所成的角度，θ_0ijk为水分子的三个原子所成的角度；

r表示两个粒子之间的距离；

φ₂描述二体势能量，φ₃描述三体势能量，总能量等于二体势能量与三体势能量的和；

其余参数为无量纲的常数。