CN104809361B - 一种分子模拟中基于原子位置的流动速度计算方法 - Google Patents

一种分子模拟中基于原子位置的流动速度计算方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种分子模拟中基于原子位置的流动速度计算方法，属于分子模拟技术领域。该方法通过对分子模拟中穿透流道截面的流量原子数进行精确的统计，进而能够精确计算流动速度。本发明提供的一种分子模拟中基于原子位置的流动速度计算方法，能够精确计算流速，消除经典分子模拟中，根据分子速度平均计算流速时由于热运动速度所带来的误差；尤其适用于在低速流动中，能够很大程度地提高其流速的计算精度。

Description

一种分子模拟中基于原子位置的流动速度计算方法
技术领域
本发明属于分子模拟技术领域，涉及一种分子模拟中基于原子位置的流动速度计算方法。
背景技术
随着研究的深入，纳米通道内流动正取得越来越广泛的应用。纳米尺度内，流体流动过程呈现完全不同的形态，由于只有有限个数的分子，分子间的作用占据了主导性地位，传统的连续模型方法已经不能预测和解释流体在纳米尺度的特征，分子模拟成为强有力的研究方法和研究手段。
在分子模拟流体流动中，流动速度是一个重要的物理量。目前在统计速度时，以x方向的流动速度为例，通常采用以下公式计算：
式中表示粒子i在j步时x方向的运动速度，JM、JN分别表示统计开始的步数和结束的步数，Num表示在统计时每的粒子数。各个粒子的热运动速度加和理论上平均为零。然而，由于分子模拟中，只有有限个数的分子，所有原子热运动的速度加和并不为零，这就带来了统计误差f，当流动速度较高时，统计误差f可以忽略不计。然而，当流动速度较低时，统计误差f影响较大。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种分子模拟中基于原子位置的流动速度计算方法，该方法基于原子位置能够精确统计出分子模拟中穿透流道截面E的流量原子数，从而能够精确计算出分子模拟中的流动速度。
为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种分子模拟中基于原子位置的流动速度计算方法，该方法包括以下步骤：
S1：统计分子模拟中穿透流道截面E的流量原子数YL；
S2：通过以下公式计算流动速度v，
其中，YL为穿透流道截面E的流量原子数；YM为原子质量；MD为流体密度；t为统计时间；MJ表示截面E的面积。
进一步，所述S1统计分子模拟中穿透截面E的流量原子数YL，具体包括如下步骤：
在流道中根据所需计算流动速度的位置选取横截面E，所述横截面E垂直于流动速度方向，在横截面E的左边依次划分A、B两个区域；E在横截面E的右边依次划分C、D两个区域；横截面E位于区域B、C之间；
流道中的每个原子都设有两个标记b(1)，b(2)，b(1)和b(2)初始值为0；统计过程中，在分子模拟的每一时间步内，通过以下方法来统计穿透截面E的流量原子数YL，初始时YL＝0：
1)根据原子n的坐标，判断原子n是否位于区域A中；如果“是”，则设置其标记b(1)＝0；
2)根据原子n的坐标，判断原子n是否位于区域B中；如果“是”，则设置其标记b(1)＝1；同时，对原子的b(2)进行判断，如果原子n的标记b(2)＝1，表明原子从区域C运动到了B中，则表示一个负流量，流量原子数YL减1，同时设置b(2)＝0；
3)根据原子n的坐标，判断原子n是否位于区域C中；如果“是”，则设置其标记b(2)＝1；同时，对原子的b(2)进行判断，如果原子n的标记b(1)＝1，表明原子从区域运动B到了C中，则表示一个正流量，流量原子数YL加1，同时设置b(1)＝0；
4)根据原子n的坐标，判断原子n是否位于区域D中；如果“是”，则设置其标记b(2)＝0；
从而得到该统计时间内穿透流道截面E的流量原子数YL。
进一步，所述区域的长度l需要满足：l≥v×m，其中，v为原子在流动方向上的最大运动速度，m为分子模拟的时间步长。
本发明的有益效果在于：本发明提供的一种分子模拟中基于原子位置的流动速度计算方法，基于原子位置能够精确统计出分子模拟中穿透流道截面E的流量原子数，从而能够精确统计流速，消除经典分子模拟中，根据分子速度平均计算流速时由于热运动速度所带来的误差；尤其适用于在低速流动中，能够很大程度地提高其流速的计算精度。
附图说明
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步的详细描述，其中：
图1为本发明所述方法的流程图；
图2为统计分子模拟中穿透流道截面E的流量原子数YL的示意图。
具体实施方式
下面将结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述。
本发明提供的一种分子模拟中基于原子位置的流动速度计算方法，如图2所示。在流道中根据所需计算流动速度的位置选取横截面E，横截面E垂直于流动速度方向，在横截面E的左边依次划分A、B两个区域；E在横截面E的右边依次划分C、D两个区域；横截面E位于区域B、C之间。
流道中的每个原子都设有两个标记b(1)，b(2)，b(1)和b(2)初始值为0；统计过程中，在分子模拟的每一时间步内，通过以下方法来统计穿透截面E的流量原子数YL，初始时YL＝0；
1)根据原子n的坐标，判断原子n是否位于区域A中；如果“是”，则设置其标记b(1)＝0；
2)根据原子n的坐标，判断原子n是否位于区域B中；如果“是”，则设置其标记b(1)＝1；同时，对原子的b(2)进行判断，如果原子n的标记b(2)＝1，表明原子从区域C运动到了B中，则表示一个负流量，流量原子数YL减1，同时设置b(2)＝0；
3)根据原子n的坐标，判断原子n是否位于区域C中；如果“是”，则设置其标记b(2)＝1；同时，对原子的b(2)进行判断，如果原子n的标记b(1)＝1，表明原子从区域运动B到了C中，则表示一个正流量，流量原子数YL加1，同时设置b(1)＝0；
4)根据原子n的坐标，判断原子n是否位于区域D中；如果“是”，则设置其标记b(2)＝0；
从而得到该统计时间内穿透流道截面E的流量原子数YL。
划分区域时，区域的长度l需要满足：l≥v×m，其中v为原子在流动方向上的最大运动速度，m为分子模拟的时间步长。
然后再通过以下公式计算流动速度v，
其中，YL为穿透流道截面E的流量原子数；YM为原子质量；MD为流体密度；t为统计时间；MJ表示截面E的面积。
通过精确统计穿透流道截面的原子个数，从而能够精确统计流速，消除经典分子模拟中，根据分子速度平均计算流速时由于热运动速度所带来的误差。
最后说明的是，以上优选实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过上述优选实施例已经对本发明进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。

Claims (2)

1.一种分子模拟中基于原子位置的流动速度计算方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：
S1：统计分子模拟中穿透流道截面E的流量原子数YL；
S2：通过以下公式计算流动速度v，
其中，YL为穿透流道截面E的流量原子数；YM为原子质量；MD为流体密度；t为统计时间；MJ表示截面E的面积；
所述S1统计分子模拟中穿透截面E的流量原子数YL，具体包括如下步骤：
在流道中根据所需计算流动速度的位置选取截面E，所述截面E垂直于流动速度方向，在截面E的左边依次划分A、B两个区域；在截面E的右边依次划分C、D两个区域；截面E位于区域B、C之间；
流道中的每个原子都设有两个标记b(1)、b(2)，b(1)和b(2)初始值为0；统计过程中，在分子模拟的每一时间步内，通过以下方法来统计穿透截面E的流量原子数YL，初始时YL＝0；
1)根据原子n的坐标，判断原子n是否位于区域A中；如果“是”，则设置其标记b(1)＝0；
2)根据原子n的坐标，判断原子n是否位于区域B中；如果“是”，则设置其标记b(1)＝1；同时，对原子的b(2)进行判断，如果原子n的标记b(2)＝1，表明原子从区域C运动到了B中，则表示一个负流量，流量原子数YL减1，同时设置b(2)＝0；
3)根据原子n的坐标，判断原子n是否位于区域C中；如果“是”，则设置其标记b(2)＝1；同时，对原子的b(1)进行判断，如果原子n的标记b(1)＝1，表明原子从区域运动B到了C中，则表示一个正流量，流量原子数YL加1，同时设置b(1)＝0；
4)根据原子n的坐标，判断原子n是否位于区域D中；如果“是”，则设置其标记b(2)＝0；从而得到该统计时间内穿透流道截面E的流量原子数YL。
2.根据权利要求1所述的一种分子模拟中基于原子位置的流动速度计算方法，其特征在于：所述区域的长度l需要满足：l≥v×m，其中m为分子模拟的时间步长。
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