CN107967405A - 提高分子动力学计算效率的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种提高分子动力学计算效率的方法，所述方法通过建立数据库调取作用力来实现流体原子动力学的计算。通过条用数据库里面的作用力，避免壁面原子参与计算模拟，使得模拟的原子数大大减小，进而有效的减小了计算时间，达到提高模拟效率的目的。

Description

提高分子动力学计算效率的方法
技术领域
本发明涉及计算流体力学领域，具体而言，涉及一种提高分子动力学计算效率的方法。
背景技术
分子动力学方法模拟在纳机电系统的制造领域具有广泛的工程应用背景，如纳尺度生物芯片、换热器、阀等等。对纳尺度流动现象的深入研究既是工程技术的实际需求，也是科学发展的必然，而纳尺度气体流动是研究纳机电系统的一个重要分支。对于宏观的光滑壁面，力场的穿透深度为1nm，而随着特征尺寸的减小，表面积和体积比增大，影响流动的各种因素相对重要性会发生变化，表面力作用越来越强烈，动量和能量传输会偏离动力学理论，这主要是由气体和固体壁面之间的相互作用引起，因此，近壁面力场在纳米通道中的作用显得越来越重要。分子动力学方法是从原子运动的角度出发，采用牛顿第二定律来求解由各种原子组成的多体运动，只要知道流体与固体壁面之间的相互作用势能函数，就可以得到流体与固体壁面之间的作用力及其运动形式和运动规律。
近些年来，随着研究的越来越深入，表面粗糙度的研究成为另一个重点。因为粗糙表面更加符合实际情况，并且当宏观尺度转为微纳米尺度时，表面粗糙度对流体的流动作用凸显。表面粗糙度对流体流动的影响机理已经成为当前微纳尺度研究中的重要前沿热点问题。分子动力学方法广泛应用于纳米尺度通道中的流动研究，但是利用分子动力学方法模拟会消耗计算机大量的内存和时间，例如模拟纳米通道中气态氩poiseuille流时，壁面采用固态铂原子，在壁面上周期性排布一定数量的粗糙元，系统尺寸为40.86nm×15.32nm×40.86nm，其中，气体原子3087个，壁面原子261670个，壁面原子约是气体原子的85倍，大量的计算资源消耗在壁面原子上，模拟效率很低。
发明内容
本发明的目的是提供一种提高分子动力学计算效率的方法，以实现提高计算效率的目的。
为了实现上述目的，本发明实施例采用的技术方案如下：
本发明提供了一种提高分子动力学计算效率的方法，所述方法通过建立数据库调取作用力来实现流体原子动力学的计算。
本发明还提供了一种提高分子动力学计算效率的装置，包括：
建立模块，适于建立数据库；
调取模块，适于调取作用力；
计算模块，适于实现流体原子动力学的计算。
与现有技术相比，本发明的有益效果如下：
本发明提供了一种提高分子动力学计算效率的方法，所述方法通过建立数据库调取作用力来实现流体原子动力学的计算。通过条用数据库里面的作用力，避免壁面原子参与计算模拟，使得模拟的原子数大大减小，进而有效的减小了计算时间，达到提高模拟效率的目的。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图1示出了本发明实施例提供的电子设备的方框示意图。
图2示出了本发明实施例提供的提高分子动力学计算效率的方法流程图。
图3为图2示出的步骤S110的子步骤。
图4为图3示出的步骤S113的子步骤。
图5为图4示出的步骤S1134的子步骤。
图6为图5示出的步骤S1134b的子步骤。
图7示出了本发明实施例提供的提高分子动力学计算效率的装置的方框示意图。
图8示出了本发明实施例提供的提高分子动力学计算效率的装置的建立模块的方框示意图。
图9示出了本发明实施例提供的提高分子动力学计算效率的装置的作用力计算子模块的方框示意图。
图10示出了本发明实施例提供的提高分子动力学计算效率的装置的第二计算单元的方框示意图。
图11示出了本发明实施例提供的提高分子动力学计算效率的装置的晶格常数获取子单元的方框示意图。
图12示出了本发明实施例提供的提高分子动力学计算效率的方法的建立xyz坐标系的模型示意图。
图13示出了本发明实施例提供的提高分子动力学计算效率的方法的流体与壁面原子之间相互作用力的示意图。
图中：100-电子设备；300-提高分子动力学计算效率的装置；101-存储器；102-存储控制器；103-处理器；110-建立模块；111-选取子模块；112-周期计算子模块；113-作用力计算子模块；1131-距离获取单元；1132-距离对比单元；1133-第一计算单元；1134-第二计算单元；1134a-坐标系建立子单元；1134b-晶格常数获取子单元；1134ba-获取距离参数子子单元；1134bb-晶格常数计算子子单元；1134c-势能计算子单元；1134d-作用力计算子单元；114-存储子模块；120-调取模块；130-计算模块。
具体实施方式
现在结合附图对本发明作进一步详细的说明。这些附图均为简化的示意图，仅以示意方式说明本发明的基本结构，因此其仅显示与本发明有关的构成。
示出本发明实施例提供的电子设备100的方框示意图。电子设备100所述电子设备100包括提高分子动力学计算效率的装置300、存储器101、存储控制器102、处理器103。
所述存储器101、存储控制器102、处理器103各元件相互之间直接或间接地电性连接，以实现数据的传输或交互。例如，这些元件相互之间可通过一条或多条信号线实现电性连接。提高分子动力学计算效率的装置300包括至少一个可以软件或固件(firmware)的形式存储于所述存储器101中或固化在所述电子设备100的操作系统(operating system，OS)中的软件功能模块。所述处理器103用于执行存储器101中存储的可执行模块。
其中，存储器101可以是，但不限于，随机存取存储器(Random Access Memory，RAM)，只读存储器(Read Only Memory，ROM)，可编程只读存储器(Programmable Read-OnlyMemory，PROM)，可擦除只读存储器(Erasable Programmable Read-OnlyMemory，EPROM)，电可擦除只读存储器(Electric Erasable Programmable Read-OnlyMemory，EEPROM)等。其中，存储器101用于存储程序，所述处理器103在接收到执行指令后，执行相应程序，本发明任一实施例揭示的流程定义的所执行的方法可以应用于处理器103中，或者由处理器103实现。
处理器103可以是一种集成电路芯片，具有信号处理能力。上述的处理器103可以是通用处理器，包括中央处理器(Central Processing Unit，CPU)、网络处理器(NetworkProcessor，NP)等；还可以是数字信号处理器、专用集成电路、现场可编程门阵列或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件。可以实现或者执行本发明实施例中的公开的各方法、步骤及逻辑框图。通用处理器可以是微处理器或者该处理器103也可以是任何常规的处理器等。
第一实施例
请参阅图2，图2示出了本发明实施例提供的提高分子动力学计算效率的方法流程图。该方法包括以下步骤：
S110：建立数据库。
将壁面原子与流体原子之间的作用力保存建立一个数据库。
S120：调取作用力。
通过调取数据库中的作用力，避免壁面原子参与计算模拟，使得模拟的原子数大大减小，进而有效的减小了计算时间，达到提高模拟效率的目的。
S130：来实现流体原子动力学的计算。
通过调取的作用力，来实现流体原子动力学的计算，减小了计算时间，提高了模拟效率。
请参阅图3，步骤S110还包括以下子步骤：
S111：选取固体壁面。
选取一个固体壁面，在本实施例中，选取金属铂作为固体壁面材料。
S112：依据选取的固体壁面的原子排列的周期性计算出周期。
由于壁面金属由晶体结构组成，在晶体结构中，每种原子或分子都由唯一的高度有序排列的晶体单元周期性组成，因此势能、固-流相互作用力在距离固体表面一个截断半径处呈周期性分布，计算统计出一个周期内的受力分布就可推断出固体表面任何地方的受力分布。这里的周期依据选取的固体壁面的原子排列的周期性计算得出的。
S113：计算所述固体壁面在所述周期内的作用力。
计算固体壁面在周期内对流体原子的作用力。
S114：将所述作用力存入数据库。
将计算得出的所述作用力存入数据库，完成数据库的建立。
请参阅图4，步骤S113还包括以下子步骤：
S1131：获取流体原子距离固体壁面的距离。
获取流体原子距离固体壁面的距离。
S1132：将获取的距离与预设的距离进行比对。
将获取的距离与预设的距离进行比对，这里预设的距离为流-固相互作用件的截断半径。在本实施例中，截断半径为2.5σA，其中σA是流体原子A的距离参数，约为A原子的粒子直径。
S1133：若获取的所述距离大于预设距离，计算流体原子间的作用力。
若流体原子距离固体表面超过预设的距离即2.5σA，那么壁面原子对其的作用力可以忽略，仅需考虑流体原子间的相互作用力。
S1134：若获取的所述距离小于预设距离，计算流体原子与固体壁面原子间的作用力。
若获取的所述距离小于预设距离，计算流体原子与固体壁面原子间的作用力。
请参阅图5，步骤S1134还包括以下子步骤：
S1134a：建立xyz坐标系，假设壁面是在xz平面上，垂直于y轴，y≤0表示壁面，y>0表示流体部分。
建立xyz坐标系，假设壁面是在xz平面上，垂直于y轴，y≤0表示壁面，y>0表示流体部分(如图12所示)。
S1134b：获取固体壁面晶格常数ptlatt。
获取固体壁面晶格常数ptlatt，即铂金属面壁的晶格常数。
S1134c：计算xyz＝(4ptlatt)*(2.5+2ptlatt)*(4ptlatt)区域的范围内每个位置壁面对原子的势能。
计算xyz＝(4ptlatt)*(2.5+2ptlatt)*(4ptlatt)区域的范围内每个位置壁面对原子的势能，就可得到壁面附近任意位置的势能。例如(25.0929,1.5672,29.6999)这个位置的势能等于(2.7881,1.5672,0.8764)这个位置的势能。
S1134d：将xyz＝(4ptlatt)*(2.5+2ptlatt)*(4ptlatt)区域分成Nx*Ny*Nz个网格，依据原子间相互作用的机理，计算出网格内每个原子与它相互作用的其他原子的合力形成的作用力。
将xyz＝(4ptlatt)*(2.5+2ptlatt)*(4ptlatt)区域分成Nx*Ny*Nz个网格，依据原子间相互作用的机理，计算出网格内每个原子与它相互作用的其他原子的合力形成的作用力。
如图13所示粗糙元厚度为h，两粗糙元之间的间距为L，粗糙元的宽度x和z方向上一致，均为l。流体与流体及流体与固体之间的作用力为Lennard-Jones势能。流体与壁面原子之间的势能随着流体原子位置的改变而改变，流体原子和壁面原子的作用力可以从相互之间的势能获得：
其中，N为壁面原子数，流体原子所受到的作用势能和作用力在(x,y,z)和(x+iL,y,z+kL)是一样的，i和k为整数。
请参阅图6，步骤S1134b还包括以下子步骤：
S1134ba：获取流体原子的距离参数σA。
获取流体原子的距离参数σA，其中σA是流体原子A的距离参数，约为A原子的粒子直径。
S1134bb：依据获取的距离参数σA计算ptlatt。
依据获取的距离参数σA计算ptlatt，本实施例中，铂金属面壁的晶格常数ptlatt＝1.15294σA。
第二实施例
请参阅图7，图6示出了本发明实施例提供的提高分子动力学计算效率的装置300的方框示意图。
提高分子动力学计算效率的装置300包括：建立模块110、调取模块120以及计算模块130。
建立模块110，适于建立数据库。
在本发明实施例中，建立模块110可以用于执行步骤S110。
调取模块120，适于调取作用力。
在本发明实施例中，调取模块120可以用于执行步骤S120。
计算模块130，适于实现流体原子动力学的计算。
在本发明实施例中，计算模块130可以用于执行步骤S130。
请参阅图8，建立模块110还包括选取子模块111、周期计算子模块112、作用力计算子模块113以及存储子模块114。
选取子模块111，适于选取固体壁面；
在本实施例中，选取子模块111可以用于执行步骤S111。
周期计算子模块112，适于依据选取的固体壁面的原子排列的周期性计算出周期。
在本实施例中，周期计算子模块112可以用于执行步骤S112。
作用力计算子模块113，计算所述固体壁面在所述周期内的作用力。
在本实施例中，作用力计算子模块113可以用于执行步骤S113。
存储子模块114，适于将所述作用力存入数据库。
在本实施例中，存储子模块114可以用于执行步骤S114。
请参阅图9，作用力计算子模块113还包括距离获取单元1131、距离对比单元1132、第一计算单元1133以及第二计算单元1134。
距离获取单元1131，适于获取流体原子距离固体壁面的距离。
在本实施例中，距离获取单元1131可以用于执行步骤S1131。
距离对比单元1132，适于将获取的距离与预设的距离进行比对。
在本实施例中，距离对比单元1132可以用于执行步骤S1132。
第一计算单元1133，适于若获取的所述距离大于预设距离，计算流体原子间的作用力。
在本实施例中，第一计算单元1133可以用于执行步骤S1133。
第二计算单元1134，适于若获取的所述距离小于预设距离，计算流体原子与固体壁面原子间的作用力。
在本实施例中，第二计算单元1134可以用于执行步骤S1134。
请参阅图10，第二计算单元1134包括坐标系建立子单元1134a、晶格常数获取子单元1134b、势能计算子单元1134c以及作用力计算子单元1134d。
坐标系建立子单元1134a，适于建立xyz坐标系，假设壁面是在xz平面上，垂直于y轴，y≤0表示壁面，y>0表示流体部分。
在本实施例中，坐标系建立子单元1134a可以于执行步骤S1134a。
晶格常数获取子单元1134b，适于获取固体壁面晶格常数ptlatt。
在本实施例中，晶格常数获取子单元1134b可以用于执行步骤S1134b。
势能计算子单元1134c，适于计算x×y×z＝(4ptlatt)×(2.5+2ptlatt)×(4ptlatt)区域的范围内每个位置壁面对原子的势能。
在本实施例中，势能计算子单元1134c可以用于执行步骤S1134c。
作用力计算子单元1134d，适于将x×y×z＝(4ptlatt)×(2.5+2ptlatt)×(4ptlatt)区域分成Nx×Ny×Nz个网格，依据原子间相互作用的机理，计算出网格内每个原子与它相互作用的其他原子的合力形成的作用力。
在本实施例中，作用力计算子单元1134d可以用于执行步骤S1134d。
请参阅图11，晶格常数获取子单元1134b包括获取距离参数子子单元1134ba以及晶格常数计算子子单元1134bb。
获取距离参数子子单元1134ba，适于获取流体原子的距离参数σA。
在本实施例中，获取距离参数子子单元1134ba可以用于执行步骤S1134ba。
晶格常数计算子子单元1134bb，适于依据获取的距离参数σA计算ptlatt。
在本实施例中，晶格常数计算子子单元1134bb可以用于执行步骤S1134bb。
综上所述，本发明实施例提供了一种提高分子动力学计算效率的方法，所述方法通过建立数据库调取作用力来实现流体原子动力学的计算。通过条用数据库里面的作用力，避免壁面原子参与计算模拟，使得模拟的原子数大大减小，进而有效的减小了计算时间，达到提高模拟效率的目的。
以上述依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。

Claims (10)

1.一种提高分子动力学计算效率的方法，其特征在于，所述方法通过建立数据库调取作用力来实现流体原子动力学的计算。
2.如权利要求1所述的提高分子动力学计算效率的方法，其特征在于，
所述建立数据库的方法包括：
选取固体壁面；
依据选取的固体壁面的原子排列的周期性计算出周期；
计算所述固体壁面在所述周期内的作用力；
将所述作用力存入数据库。
3.如权利要求2所述的提高分子动力学计算效率的方法，其特征在于，
所述计算所述固体壁面在所述周期内的作用力的方法包括：
获取流体原子距离固体壁面的距离；
将获取的距离与预设的距离进行比对；
若获取的所述距离大于预设距离，计算流体原子间的作用力；
若获取的所述距离小于预设距离，计算流体原子与固体壁面原子间的作用力。
4.如权利要求3所述的提高分子动力学计算效率的方法，其特征在于，
所述计算流体原子与固体壁面原子间的作用力的方法包括：
建立xyz坐标系，假设壁面是在xz平面上，垂直于y轴，y≤0表示壁面，y>0表示流体部分；
获取固体壁面晶格常数ptlatt；
计算xyz＝(4ptlatt)*(2.5+2ptlatt)*(4ptlatt)区域的范围内每个位置壁面对原子的势能；
将xyz＝(4ptlatt)*(2.5+2ptlatt)*(4ptlatt)区域分成Nx*Ny*Nz个网格，依据原子间相互作用的机理，计算出网格内每个原子与它相互作用的其他原子的合力形成的作用力。
5.如权利要求4所述的提高分子动力学计算效率的方法，其特征在于，
获取固体壁面晶格常数ptlatt的方法包括：
获取流体原子的距离参数σA；
依据获取的距离参数σA计算ptlatt。
6.一种提高分子动力学计算效率的装置，其特征在于，包括：
建立模块，适于建立数据库；
调取模块，适于调取作用力；
计算模块，适于实现流体原子动力学的计算。
7.如权利要求6所述的提高分子动力学计算效率的装置，其特征在于，
所述建立模块包括：
选取子模块，适于选取固体壁面；
周期计算子模块，适于依据选取的固体壁面的原子排列的周期性计算出周期；
作用力计算子模块，计算所述固体壁面在所述周期内的作用力；
存储子模块，适于将所述作用力存入数据库。
8.如权利要求7所述的提高分子动力学计算效率的装置，其特征在于，
所述作用力计算子模块包括：
距离获取单元，适于获取流体原子距离固体壁面的距离；
距离对比单元，适于将获取的距离与预设的距离进行比对；
第一计算单元，适于若获取的所述距离大于预设距离，计算流体原子间的作用力；
第二计算单元，适于若获取的所述距离小于预设距离，计算流体原子与固体壁面原子间的作用力。
9.如权利要求8所述的提高分子动力学计算效率的装置，其特征在于，
所述第二计算单元包括：
坐标系建立子单元，适于建立xyz坐标系，假设壁面是在xz平面上，垂直于y轴，y≤0表示壁面，y>0表示流体部分；
晶格常数获取子单元，适于获取固体壁面晶格常数ptlatt；
势能计算子单元，适于计算x×y×z＝(4ptlatt)×(2.5+2ptlatt)×(4ptlatt)区域的范围内每个位置壁面对原子的势能；
作用力计算子单元，适于将x×y×z＝(4ptlatt)×(2.5+2ptlatt)×(4ptlatt)区域分成Nx×Ny×Nz个网格，依据原子间相互作用的机理，计算出网格内每个原子与它相互作用的其他原子的合力形成的作用力。
10.如权利要求9所述的提高分子动力学计算效率的装置，其特征在于，
所述晶格常数获取子单元包括：
获取距离参数子子单元，适于获取流体原子的距离参数σA；
晶格常数计算子子单元，适于依据获取的距离参数σA计算ptlatt。
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