CN105808907A - 一种基于分子动力学的剪切流模拟方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明适用于计算机仿真技术领域，提供了一种基于分子动力学的剪切流模拟方法及装置，所述方法包括：基于分子动力学模拟的要求建立一定尺寸大小的水框模型，所述水框模型中包括水分子；在水框模型顶部的水分子层和水框模型底部的水分子层施加相同方向的驱动力F，并在水框模型中间的水分子层施加与所述F方向相反的驱动力。本发明通过对水分子施加特定的外力，可实现对剪切流的模拟，而且模拟的剪切流流场稳定，剪切率可控。

Description

一种基于分子动力学的剪切流模拟方法及装置

技术领域

本发明属于计算机仿真技术领域，尤其涉及一种基于分子动力学的剪切流模拟方法及装置。

背景技术

具有横向速度梯度场的流动方式称为剪切流。现有技术提出了若干种用分子动力学算法模拟均匀流的方法，均匀流流场中的流线都是直线且互相平行，可以用于研究流场对物体(如蛋白)的冲刷作用。然而，该方法需要固定待研究的物体，且由于均匀流和剪切流本质的不同，无法实现对剪切流旋转效应的模拟，对剪切流拉伸效应的模拟也局限在水流方向。

另外，现有基于分子动力学的剪切流模拟方法，在模拟出一定大小的水框模型后，需要为该水框模型施加刚性边界，可能引入人为的假象，并且其实现较为复杂。

发明内容

鉴于此，本发明实施例提供一种基于分子动力学的剪切流模拟方法及装置，以解决现有技术存在的上述问题。

本发明实施例是这样实现的，一种基于分子动力学的剪切流模拟方法，所述方法包括：

基于分子动力学模拟的要求建立一定尺寸大小的水框模型，所述水框模型中包括水分子；

在水框模型顶部的水分子层和水框模型底部的水分子层施加相同方向的驱动力F，并在水框模型中间的水分子层施加与所述F方向相反的驱动力。

本发明实施例的另一目的在于提供一种基于分子动力学的剪切流模拟装置，所述装置包括：

第一设置单元，用于基于分子动力学模拟的要求建立一定尺寸大小的水框模型，所述水框模型中包括水分子；

第二设置单元，用于在所述第一设置单元模拟出所述水框模型后，在水框模型顶部的水分子层和水框模型底部的水分子层施加相同方向的驱动力F，并在水框模型中间的水分子层施加与所述F方向相反的驱动力。

本发明实施例与现有技术相比存在的有益效果是：本发明实施例通过设置特定的水框模型和驱动力，使得水框模型顶部的水分子层和水框模型底部的水分子层运动方向相同，水框模型中间的水分子层运动方向相反，从而可实现对剪切流的模拟，而且模拟的剪切流流场稳定，剪切率可控。另外，由于方框体系中没有固体成分，避免了边界附近水分子的无序度下降的不真实性。本发明实施例实现简单，具有较强的易用性和实用性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例一提供的基于分子动力学的剪切流模拟方法的实现流程图；

图2是本发明实施例一提供的剪切流模拟的示例图；

图3是本发明实施例一提供的剪切流模拟的另一示例图；

图4是本发明实施例一提供的剪切流模拟中水分子层垂直位置与水分子层平移速度的关系示意图；

图5是本发明实施例二提供的基于分子动力学的剪切流模拟装置的组成结构图。

具体实施方式

以下描述中，为了说明而不是为了限定，提出了诸如特定系统结构、技术之类的具体细节，以便透切理解本发明实施例。然而，本领域的技术人员应当清楚，在没有这些具体细节的其它实施例中也可以实现本发明。在其它情况中，省略对众所周知的系统、装置、电路以及方法的详细说明，以免不必要的细节妨碍本发明的描述。

为了说明本发明所述的技术方案，下面通过具体实施例来进行说明。

实施例一：

图1示出了本发明实施例一提供的基于分子动力学的剪切流模拟方法的实现流程，该方法过程详述如下：

在步骤S101中，基于分子动力学模拟的要求建立一定尺寸大小的水框模型，所述水框模型中包括水分子。

在本发明实施例中，所述水框模型的尺寸大小可以根据实际需求设置。示例性的，本实施例水框模型的尺寸可以设置为8.7nm×9.4nm×4.7nm，即相当于两个8.7nm×4.7nm×4.7nm的水框模型连接在一起。

可选的，为了观察剪切流对其他分子的影响，本发明实施例还可以在两个长8.7nm×宽4.7nm×高4.7nm水框模型的中心预定范围内加入所需的蛋白分子以及一定数目的盐离子(如钠离子、钾离子、氯离子、镁离子、锌离子等)以模拟生理状态并维持电中性(如图2所示)。

在步骤S102中，在水框模型顶部的水分子层和水框模型底部的水分子层施加相同方向的驱动力F，并在水框模型中间的水分子层施加与所述F方向相反的驱动力。

具体可以是，在水框模型顶部的水分子层和水框模型底部的水分子层施加相同方向、相同大小的驱动力F，并在水框模型中间的水分子层施加与所述F方向相反、大小相同的驱动力。

进一步的，在水框模型顶部0.1纳米厚的水分子层和水框模型底部0.1纳米厚的水分子层施加相同方向、相同大小的驱动力F，并在水框模型中间0.2纳米厚的水分子层施加与所述F方向相反、大小相同的驱动力。

更进一步的，在水框模型顶部0.1纳米厚的水分子层(即y轴9.3nm～9.4nm处的水分子层)和水框模型底部0.1纳米厚的水分子层(即y轴0nm～0.1nm处的水分子层)施加沿x轴正方向、大小为5.0pN的驱动力，并在水框模型中间0.2纳米厚的水分子层(即y轴4.6nm～4.8nm处的水分子层)施加沿x轴负方向、大小为5.0pN的驱动力(如图2和图3所示)，其中图2中水框模型的中间加入了盐离子和蛋白分子；而图3中只有水分子和离子，未加入其他分子。

在本实施例中，驱动力作用于水分子中的氧原子，使其沿x轴平行移动。其中顶部的水分子层和底部的水分子层向x轴正方向移动，中间的水分子层向x轴负方向移动。

进一步的，为了控制温度稳定，本发明实施例还包括：

对所述水框模型中所有水分子中的氧原子按郎之万动力学(Langevindynamics)施加阻尼力。示例性的，阻尼系数γ＝0.1ps^-1，以将温度控制在310K内。另外，本发明实施例还可以采用其他方法控制温度，如：将模拟体系与水浴偶联控制温度(temperaturecoupling)；定期重新标定温度(rescalingtemperature)。

进一步的，为了保证水框模型中分子数目恒定并且不会有边界效应，本发明实施例还包括：

对水框模型的边界应用周期性边界条件。

所述边界条件的含义是：在包含大量分子的水框模型中，分子动力学模拟时离开水框模型左边界的分子将被处理为从右边界进入，离开水框模型右边界的分子将被处理为从左边界进入，离开水框模型上边界的分子将被处理为从下边界进入，离开水框模型下边界的分子将被处理为从上边界进入，离开水框模型前边界的分子将被处理为从后边界进入，离开水框模型后边界的分子将被处理为从前边界进入，从而保证水框模型中分子数目恒定并且不会有边界效应。或者说，水框模型中只是一个单元，它的左边界与其自身的周期性镜像(同时也是相邻的水框)的右边界毗邻，该单元在左右、上下、前后三个维度都是无限重复并填满整个空间，从而避免了边界效应。

实验表明，在上述水框模型体系下，本实施例模拟的剪切流流场很快稳定(3ns内)，被驱动的水分子层以匀速120nm/ns移动，流场为剪切率0.05ps^-1的剪切流。

需要说明的是，在上述水框模型体系中，水框模型尺寸的大小、驱动力的方向、驱动力的大小、水分子层的厚度、阻尼系数的大小等都可以根据实际需求设定，上述只用于举例说明，并不用于限定本发明的保护范围。例如，所述驱动力可以沿其他方向以获得不同方向的剪切流，如沿y轴正方向或负方向；所述驱动力的大小可以为2.5pN、10.0pN或20.0pN等；所述驱动力可以施加在水分子层中水分子的全部原子上，也可以只施加在一个或两个氢原子上。

另外，还需要说明的是，改变驱动力的大小和/或水分子层的厚度可以改变被驱动水分子层的平移速度，并获得不同的剪切率。如图4所示，在驱动力不变的情况下，当水分子层厚度改变时，水分子层的平移速度也发生变化，其中水分子层平移速度变化曲线不光滑反映了水框模型体系受热扰动的影响。需要说明的是，水框模型体系中水分子的驱动力在上下边界同向，采用周期性边界条件后上下边界的粒子速度才满足连续性的要求，否则由于摩擦整个水框模型体系会产生极大的热耗散，使模拟的剪切流不稳定。

实施例二：

图5示出了本发明实施例二提供的基于分子动力学的剪切流模拟装置的组成结构，为了便于说明，仅示出了与本发明实施例相关的部分。

该基于分子动力学的剪切流模拟装置可以是内置于终端设备(例如手机、平板电脑、计算机等)中的软件单元、硬件单元或者软硬件相结合的单元，也可以作为独立的插件集成到该终端设备中，或者应用于该终端设备的应用系统中。

该基于分子动力学的剪切流模拟装置包括：

第一设置单元51，用于基于分子动力学模拟的要求建立一定尺寸大小的水框模型，所述水框模型中包括水分子；

第二设置单元52，用于在所述第一设置单元模拟出所述水框模型后，在水框模型顶部的水分子层和水框模型底部的水分子层施加相同方向的驱动力F，并在水框模型中间的水分子层施加与所述F方向相反的驱动力。

进一步的，所述第二设置单元52具体用于：

在水框模型顶部的水分子层和水框模型底部的水分子层施加相同方向、相同大小的驱动力F，并在水框模型中间的水分子层施加与所述F方向相反、大小相同的驱动力。

进一步的，所述第二设置单元52具体用于：

在水框模型顶部0.1纳米厚的水分子层和水框模型底部0.1纳米厚的水分子层施加相同方向、相同大小的驱动力F，并在水框模型中间0.2纳米厚的水分子层施加与所述F方向相反、大小相同的驱动力。

进一步的，所述装置还包括：

第三设置单元53，用于对所述水框模型中所有水分子中的氧原子按郎之万动力学施加阻尼力，以控制温度稳定。

进一步的，所述装置还包括：

第四设置单元，用于对水框模型的边界应用周期性边界条件。

所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为了描述的方便和简洁，仅以上述各功能单元的划分进行举例说明，实际应用中，可以根据需要而将上述功能分配由不同的功能单元完成，即将所述装置的内部结构划分成不同的功能单元或模块，以完成以上描述的全部或者部分功能。实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中，上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。另外，各功能单元的具体名称也只是为了便于相互区分，并不用于限制本申请的保护范围。上述装置中单元的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。

综上所述，本发明实施例通过设置特定的水框模型和驱动力，可实现对剪切流的模拟，而且模拟后的剪切流流场稳定，剪切率可控。通过在方框体系中加入水分子之外的其他分子，可以用于观察剪切流对其他分子的影响。另外，由于被驱动的水框模型边界上的水分子不会凝固，从而可以与其他水分子交换动量，避免边界附近水分子的无序度下降的不真实性。本发明实施例实现简单，不需要增加额外的硬件，可有效降低成本，具有较强的易用性和实用性。

本领域普通技术人员可以意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、或者计算机软件和电子硬件的结合来实现。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。

在本发明所提供的实施例中，应该理解到，所揭露的装置和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，所述模块或单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通讯连接可以是通过一些接口，装置或单元的间接耦合或通讯连接，可以是电性，机械或其它的形式。

所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。

另外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。

所述集成的单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明实施例的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的全部或部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)或处理器(processor)执行本发明实施例各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-OnlyMemory)、随机存取存储器(RAM，RandomAccessMemory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

以上所述实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种基于分子动力学的剪切流模拟方法，其特征在于，所述方法包括：

基于分子动力学模拟的要求建立一定尺寸大小的水框模型，所述水框模型中包括水分子；

在水框模型顶部的水分子层和水框模型底部的水分子层施加相同方向的驱动力F，并在水框模型中间的水分子层施加与所述F方向相反的驱动力。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述在水框模型顶部的水分子层和水框模型底部的水分子层施加相同方向的驱动力F，并在水框模型中间的水分子层施加与所述F方向相反的驱动力包括：

在水框模型顶部的水分子层和水框模型底部的水分子层施加相同方向、相同大小的驱动力F，并在水框模型中间的水分子层施加与所述F方向相反、大小相同的驱动力。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述在水框模型顶部的水分子层和水框模型底部的水分子层施加相同方向的驱动力F，并在水框模型中间的水分子层施加与所述F方向相反的驱动力包括：

在水框模型顶部0.1纳米厚的水分子层和水框模型底部0.1纳米厚的水分子层施加相同方向、相同大小的驱动力F，并在水框模型中间0.2纳米厚的水分子层施加与所述F方向相反、大小相同的驱动力。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：

对所述水框模型中所有水分子中的氧原子按郎之万动力学施加阻尼力，以控制温度稳定。

5.如权利要求1至4任一项所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：

对水框模型的边界应用周期性边界条件。

6.一种基于分子动力学的剪切流模拟装置，其特征在于，所述装置包括：

第一设置单元，用于基于分子动力学模拟的要求建立一定尺寸大小的水框模型，所述水框模型中包括水分子；

第二设置单元，用于在所述第一设置单元模拟出所述水框模型后，在水框模型顶部的水分子层和水框模型底部的水分子层施加相同方向的驱动力F，并在水框模型中间的水分子层施加与所述F方向相反的驱动力。

7.如权利要求6所述的装置，其特征在于，所述第二设置单元具体用于：

在水框模型顶部的水分子层和水框模型底部的水分子层施加相同方向、相同大小的驱动力F，并在水框模型中间的水分子层施加与所述F方向相反、大小相同的驱动力。

8.如权利要求6所述的装置，其特征在于，所述第二设置单元具体用于：

在水框模型顶部0.1纳米厚的水分子层和水框模型底部0.1纳米厚的水分子层施加相同方向、相同大小的驱动力F，并在水框模型中间0.2纳米厚的水分子层施加与所述F方向相反、大小相同的驱动力。

9.如权利要求6所述的装置，其特征在于，所述装置还包括：

第三设置单元，用于对所述水框模型中所有水分子中的氧原子按郎之万动力学施加阻尼力，以控制温度稳定。

10.如权利要求6至9任一项所述的装置，其特征在于，所述装置还包括：

第四设置单元，用于对水框模型的边界应用周期性边界条件。