1.一种多尺度模拟纳米颗粒多相流体特性的方法,其特征在于,其包括以下步骤:
1)建立全原子分子动力学微观尺度模型,H(p,r;m,s)=K(p;m)+V(r;s);其中,H(p,r;
m,s)为哈灵顿函数,K(p;m)为动能,V(r;s)为势能,p为粒子动量,r为粒子的位置坐标,m为质量,s为力场参数,并获取作用在粒子i上的力;
2)对步骤1)中获得的模拟数据,基于力场拟合方法进行粗粒化处理,建立粗粒化分子动力学微观尺度模型,并从该粗粒化分子动力学微观尺度模型获取粗粒化力场粒子受力表示:其中Fp为粗粒化力场粒子受力的预估值,M为分子构象数,aj为力场参数, 为常数,j为粒子j;
3)获得粗粒化分子动力学模拟数据后,建立基于格子玻尔兹曼方法介观尺度模型其中fd为粒子分布函数,fe为平衡状态是粒子分布函数,v和u分别为微观流体速度和宏观流体速度,λ为弛豫时间,G为重力,R为气体常数,ρ为流体密度,T为温度,F为粒子间有效相互作用力,并从中获取格点带电量系统内的静电作用力 为电场,εr为介电常数,为向量微分算子,并引入粒子分布函数 其中
为平衡分布函数,λ为弛豫时间,qα为粒子带电量,Δt为间隔时间步长,t为时间;
4)将粗粒化分子动力学微观尺度模型和基于格子玻尔兹曼方法介观尺度模型通过作用于粒子i的摩擦力Ffi,粒子i作用于格子节点l的反作用力Frl耦合,获取Ffi=-γ(vi-wl),
Frl=γ(vi-wl)eli,其中vi为微观尺度粗粒化模拟计算得到的粒子i的速度,wl为介观尺度中粒子i临近格子节点l的速度,∑leli=1,w=∑lwleli,w为格子节点l的速度,eli为格子节点l具有速度wl的粒子的比例,并获取可体现粒子与流体的相互作用强度的耦合参数γ,其中m和m’分别表示在相应节点处的粒子质量和流体质量,tc为碰撞时间。
2.根据权利要求1所述的多尺度模拟纳米颗粒多相流体特性的方法,其特征在于,步骤
1)中通过全原子分子动力学微观尺度模型获得系统动能 通过对势能求偏导获得作用在粒子i上的力 其中N为系统内粒子数,v为粒子运动速度,其中,pi为粒子i的动量,mi为粒子i的质量,vi为粒子i的运动速度,ri为粒子i的位置坐标。
3.根据权利要求1或2所述的多尺度模拟纳米颗粒多相流体特性的方法,其特征在于,bond angle har trig LJ CRF步骤1)势能V包括V(r;s)=V (r;s)+V (r;s)+V (r;s)+V (r;s)+V (r;s)+V (r;
s);其中键能Vbond、角势能Vangle和二面角势能Vhar和扭转势能Vtrig为键结势能,范德华势能VLJ和静电势能VCRF(r;s)为非键结势能,键能其中b为粒子i和粒子j之间的实际键长,Nb为键的数量,b0为粒子间平均键长,参数Kb和b0可根据具体分子信息确定;
角势能 其中θn为粒子i、j和k实际
键角大小,Nθ为键角数量,参数Kθ和θ0根据具体分子信息确定;
二面角势能 其中ξn为粒子i、j、k和l构成的实际二面角大小,Nξ为二面角数量,参数Kξ和ξ0因具体分子信息而定;
扭转势能 其中,δn为相位移,mn
和 分别为二面角的个数和数值, 为扭转角数量,参数 因具体分子信息而定;
范德华势能
其中,rc为范德华势能截断半径,rij为粒子i和粒子j之间的距离,参数ε和σ为势能相互作用强度和长度参数,静电势能 其中,qi和qj分别为粒子i和粒子j的带电量,εr为介电常数,
4.根据权利要求1所述的多尺度模拟纳米颗粒多相流体特性的方法,其特征在于,步骤
2)中首先建立V=VLJ+Vb+Ve,
短程LJ势能VLJ:
键结势能Vb:
远程静电势能Ve:
其中bmax为粒子间最大键长,kb为弹性常量,λB为Bjerrum长度,λB=e2/(4πε0εrkBT),ε0和εr分别为真空介电常数和介电常数,kB为玻尔兹曼常数,e为元电荷电量,qi和qj分别为粒子i和粒子j的带电量;
其次根据分子动力学全原子方法计算得到系统内每个粒子的受力情况Fref,通过力场拟合方法,获得粗粒化力场粒子受力的预估值Fp,根据最小二乘法,获得平方和均值其中,N为系统内粒子数,M为分子构象数,a1,…,aM为相关力场参数;
p 2
最后在假设F 与力场参数线性相关,则 为常数,χ 值最小化可为并获得力场参数aj:
并 由 此 获 得 粗 粒 化 力 场 粒 子 受 力 表 示
5.根据权利要求1所述的多尺度模拟纳米颗粒多相流体特性的方法,其特征在于,步骤3)中对基于格子玻尔兹曼方法介观尺度模型进行求解,获得 其中,α为分子间相互作用强度参数,g为压强分布函数,g=fRT+ψ(ρ)Γ(0),ge为平衡状态下压强函数,φ用以标记多相流体的界面,函数Γ与平衡时分布方程相关: 由此获得作用于流体的电场力: 格点带电量:系统内静电作用力包括介电力和库仑力 并为了用格子玻尔兹曼方法解决耦合电场方程,引入粒子分布函数