分子动力学模拟中壁面边界的模拟方法

摘要

本发明公开提出一种分子动力学模拟中壁面边界的模拟方法，该方法综合了全反射法和随机反射法优点，能够真实反应出粒子碰壁后的运动状态，也称为半反射法，其实现步骤如下：1)定义分子动力学模拟中粒子的数据结构；2)确定粒子在通道中的当前位置A(x₀，y₀，z₀，u₀，v₀，w₀)；3)根据粒子当前位置及粒子受到其它粒子的作用力信息，确定粒子的运动方向，并根据粒子当前位置及受力信息判断粒子下一步是否会运动到壁面边界以外位置；4)若粒子运动到壁面边界以外位置，经过壁面反射到达下一步反射位置B(x，y，z，u，v，w)，当x方向存在壁面，则其中y＝y’，z＝z’，x＝2*壁面x方向的坐标-x’，粒子的速度方向随机。本发明在模拟中可以体现出壁面恒温和壁面不光滑的物理条件；可以更加真实地反应出粒子反射后的位置；也可应用在不规则的纳米通道中，简化速度矢量的计算方法。

主权项

1.分子动力学模拟中壁面边界的模拟方法，其特征在于，所述模拟方法包含以下步骤：A)定义分子动力学模拟中粒子的数据结构，粒子在三维模型中由六个信息来表示粒子在分子动力学模拟通道中的运动状态，所述六个信息分别是x方向坐标、y方向坐标、z方向坐标、x方向速度、y方向速度和z方向速度；其中x方向坐标为壁面横坐标，y方向坐标为壁面纵坐标，z方向为与xy平面垂直的方向；B)确定粒子在通道中的当前位置A(x₀，y₀，z₀，u₀，v₀，w₀)，其中x₀表示粒子在x方向上的当前位置坐标，y₀表示粒子在y方向上的当前位置坐标，z₀表示粒子在z方向上的当前位置坐标，u₀表示粒子在x方向上的当前位置速度，v₀表示粒子在y方向上的当前位置速度，w₀表示粒子在z方向上的当前位置速度；C)根据粒子当前位置及粒子受到其它粒子的作用力信息，确定粒子的运动方向，并根据粒子当前位置及受力信息判断粒子下一步是否会运动到壁面边界以外位置；如果粒子没有运动到壁面边界以外位置，则粒子会沿着确定的运动方向运动，到达下一步指定位置B’(x’，y’，z’，u’，v’，w’)，其中x’为粒子在x方向上的指定位置坐标，y’表示粒子在y方向上的指定位置坐标，z’表示粒子在z方向上的指定位置坐标，u’表示粒子在x方向上的指定位置速度，v’表示粒子在y方向上的指定位置速度，w’表示粒子在z方向上的指定位置速度；D)若粒子运动到壁面边界以外位置，粒子将不能到达下一步指定的位置B’，粒子根据壁面的温度，经过壁面反射到达下一步反射位置B(x，y，z，u，v，w)，当x方向存在壁面，则其中y＝y’，z＝z’，x＝2*壁面x方向的坐标-x’，粒子的速度方向随机；当y方向存在壁面，则其中x＝x’，z＝z’，y＝2*壁面y方向的坐标-y’，粒子的速度方向随机；当z方向存在壁面，则其中x＝x’，y＝y’，z＝2*壁面z方向的坐标-z’，粒子的速度方向随机；上述公式中，ɑ为-1～1之间的随机数，k_B为波尔兹曼常数，T为当前温度，m为质量，x表示粒子在x方向上的反射位置坐标，y表示粒子在y方向上的反射位置坐标，z表示粒子在z方向上的反射位置坐标，u为粒子在x方向上的反射位置速度，v为粒子在y方向上的反射位置速度，w为粒子在z方向上的反射位置速度。