[发明专利]基于分子动力学模拟微观结构表面防结冰性能的评价方法

摘要

本发明公开了一种基于分子动力学模拟微观结构表面防结冰性能的评价方法，该方法借助分子动力学理论和仿真计算软件，建立不同形状微结构表面与水接触的异质形核模型，避开计算量需求极大的形核率计算，对水的结冰温度，结冰时间进行仿真计算，基于仿真结果评价微结构形状对于水异质形核结冰难易程度的影响，从而从分子层面解释结冰形核机理，减小实际实验试错法的消耗，可为各种期望利用表面微观结构改性达到防结冰效果的实验探索，工艺优化与产品开发提供理论支持。

主权项

1.一种基于分子动力学模拟微观结构表面防结冰性能的评价方法，其特征在于，包括以下步骤：1)基于分子动力学仿真软件LAMMPS建立基体表面不同形状微结构与水的接触模型；采用三维周期盒子，首先在XY轴上建立无限长、厚度一定的平面基体，然后在平面基体上构建规则阵列微结构，控制微结构上下面的形状与尺寸得到特定形状的微结构，同时定义微结构高度与间距；微结构创建后，固定基体与微结构的原子坐标；在微结构上生成水分子，保证水分子与基体距离保持在截断半径内，并进行能量最小化设置；2)基于分子动力学仿真软件LAMMPS对步骤1)中的模型进行初始化准备；具体步骤为：首先赋予原子质量与粒子初始速度，采用SW粗粒化势函数表征水与基体原子之间的相互作用，将系统处于室温，一个大气压下进行数纳秒平衡弛豫，系综选择为NPT系综，积分步长可自行选定，使系统达到平衡，密度合理；3)基于分子动力学仿真软件LAMMPS对步骤2)得到的平衡态模型进行降温动力学弛豫；在一个大气压下，设定温度从298k均匀变化到200k或以下温度，降温速度可因精确度而定，每隔固定步长设定一个状态点，利用dump命令输出各个状态点的水分子坐标；4)基于分子动力学仿真软件LAMMPS对步骤2)得到的平衡态模型进行低温平衡态动力学弛豫；在一个大气压下，设定保温温度，进行平衡态动力学弛豫；每隔固定步长设定一个状态点，利用dump命令输出各个状态点的水分子坐标；5)利用脚本程序读取降温动力学过程得出的数据结果，判定各个分子的结冰情况，并输出每个状态点的结冰分子数量；得到数据后利用origin软件作图，得到结冰粒子数与温度变化之间的关系图，取结冰分子数量开始明显上升的温度作为结冰温度；6)读取低温平衡态动力学弛豫得出的数据结果，利用Q6判据判定各个分子的结冰情况，并输出每个状态点的结冰分子数量；得到数据后利用origin软件作图，得到结冰分子数与时间变化之间的关系图，取结冰分子数量开始明显上升的温度作为结冰时间；7)利用步骤5)、6)得到的结冰温度与结冰时间数据，评价微结构形状抑制结冰性能的优劣。