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分子动力学方法计算气体的物理性质

作　者: 张志杰
导　师: 张文飞
学　校: 燕山大学
专　业: 流体力学
关键词: 分子动力学空气粘度势函数压强
分类号: TB383.1
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

随着计算机的软硬件和计算技术的长足发展,利用计算机对物质的微观结构和运动进行数值模拟计算得到了迅速发展,并在此基础上发展了运用数值运算统计求和的方法:分子动力学(MD)方法。空气在人们的生产生活以及工业生产中有着不可或缺的作用,在微观领域对其性质进行模拟有着巨大的实际意义。本文采用分子动力学方法,对气体在不同状态下的物性参数进行了模拟,得出与宏观测量结果相符的结果。本课题较详细的讨论了气体模型的模拟技术,采用平衡分子动力学方法,对不同温度、密度下气体的压强和粘度以及随着海拔高度的增加大气压强的变化等进行了详细的计算。在模拟过程中,针对气体的特点,应用了对系统动能和动量的控制,以及双原子分子的旋转计算。首先,采用不同的模型,选取适当的势函数,采用Verlet算法的速度形式(veleocity Verlet scheme)计算方法,并施加以适当的周期性边界条件,对标准状态下氩气的压强进行计算,然后,对计算结果和理论值进行对比,综合考虑精度要求和计算时间因素,确定适当的模型。最后,在确定的模型基础上,按相应比例随机混合一定数量的氮气和氧气分子,并赋予每个分子一定的初始速度,改变空气参数,对不同状态下的空气性质进行计算,得出相应的数据,并和宏观结果进行分析比较,分析温度、密度参数对空气压强、粘度的影响,进而对以后的生产研究起到参考作用。

全文目录

摘要  5-6
Abstract  6-9
第1章绪论  9-16
  1.1 引言  9-10
  1.2 分子动力学方法的研究进展  10-12
  1.3 气体分子动力学的研究现状  12-13
  1.4 研究意义和目的  13-14
  1.5 研究内容  14-16
第2章分子动力学模拟技术  16-30
  2.1 引言  16
  2.2 分子动力学基本原理  16-24
    2.2.1 分子动力学系综简介  17-18
    2.2.2 初始条件  18
    2.2.3 周期性边界条件与最近镜像理论  18-19
    2.2.4 原子势函数  19-21
    2.2.5 数值计算方法  21-23
    2.2.6 等温、等压控制  23-24
  2.3 分子动力学的加速计算方法  24-27
  2.4 应力、时间相关函数与粘度  27-29
    2.4.1 应力计算公式  27-28
    2.4.2 时间相关函数  28
    2.4.3 粘度计算公式  28-29
  2.5 本章小结  29-30
第3章氩气应力的计算  30-44
  3.1 引言  30
  3.2 系统及计算方法的选用  30-33
    3.2.1 系综的选取及初始条件、边界条件的设定  30
    3.2.2 势函数的选取  30-31
    3.2.3 分子间相互作用力计算  31-32
    3.2.4 等温调节  32-33
    3.2.5 数值计算方法  33
  3.3 应力计算  33-34
  3.4 分子动力学模拟实例  34-43
    3.4.1 时间步长的确定  35-37
    3.4.2 模型的确定  37-42
    3.4.3 应力模拟结果  42-43
  3.5 本章小结  43-44
第4章空气性质的模拟计算  44-61
  4.1 引言  44
  4.2 分子动力学方法模拟空气的粘度中的细节问题  44-53
    4.2.1 势函数的选取  44-45
    4.2.2 数值计算方法  45
    4.2.3 几何模型的选择  45
    4.2.4 应力与粘度计算方法  45-47
    4.2.5 双原子分子的旋转计算及四元素法  47-52
    4.2.6 动能与动量控制方法  52-53
  4.3 标准状况下计算结果分析  53-56
  4.4 不同状态下空气模拟结果分析  56-60
    4.4.1 空气压强随海拔高度变化模拟  57-58
    4.4.2 相同密度时空气压强随温度变化模拟  58-59
    4.4.3 标准大气压下不同温度时粘度变化模拟  59-60
  4.5 本章小结  60-61
结论  61-62
参考文献  62-66
攻读硕士学位期间承担的科研任务与主要成果  66-67
致谢  67-68
作者简介  68

分子动力学方法计算气体的物理性质

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