CN115270659A - 一种计算气体分子扩散系数的分子动力学模拟计算方法 - Google Patents

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丁国成
杨海涛
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谢佳
黄伟民
李庆民
周章斌
方胜
李昂
张晨晨
胡啸宇
谢一鸣
吴昊
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李云鹏
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Abstract

本发明提供了一种计算气体分子扩散系数的分子动力学模拟计算方法，包括油纸绝缘界面与气体小分子混合模型的构建、平衡模拟、仿真计算和绘制曲线，拟合后直线斜率K即为气体分子扩散系数。并且，通过对油纸绝缘模型进行升温实验，绝缘纸产气速率与模型计算出的扩散系数增长趋势吻合度较高，使用此方法计算气体小分子扩散系数具有可行性，可为研究多物理场下气体分子的迁移特性提供支持。

Description

一种计算气体分子扩散系数的分子动力学模拟计算方法
技术领域
本发明属于微纳尺度分子模拟技术领域，特别涉及一种计算气体分子扩散系数的分子动力学模拟计算方法。
背景技术
使用分子动力学方法研究气体分子的扩散系数，是为了研究气体在油纸绝缘体系中的扩散速度，从而利用扩散系数来表述外部特定条件对于气体分子在不同体系中扩散速度的影响规律。尤其是在计算油纸绝缘体系时，不同含水率情况下气体小分子的扩散程度不同，不同温度下，扩散系数的大小也不同，因此研究气体分子的扩散系数对后续研究多物理场下气体分子的迁移特性具有基础性研究的作用。
发明内容
本发明的目的在于提出了一种计算气体分子扩散系数的分子动力学模拟计算方法，通过分子动力学模拟的方法计算气体小分子扩散系数，为研究多物理场下气体分子的迁移特性提供支持。
本发明的目的是这样实现的：
一种计算气体分子扩散系数的分子动力学模拟计算方法，包括以下步骤：
(1)模型构建：利用Materials Studio软件构建油纸绝缘界面与气体小分子混合模型，将其作为模型数据；
(2)平衡模拟：对所构建的油纸绝缘界面与气体小分子混合模型，进行500ps的NPT系综的平衡模拟，使其在仿真计算前达到能量最低的平衡状态；
(3)仿真计算：对所构建的油纸绝缘界面与气体小分子混合模型，进行500ps的分子动力学仿真，分别施加不同的温度，根据如下公式计算所有气体分子的均方位移：
MSD＝<|r(t)-r(0)|2>
式中，MSD为均方位移；r(t)和r(0)分别为t时刻和初始时刻粒子的位移坐标；<>表示求平均值；
(4)绘制曲线：将步骤(3)仿真计算得到的均方位移绘制成曲线，拟合后直线斜率K即为气体分子扩散系数，拟合曲线斜率的公式如下：
Figure BDA0003782024900000011
式中，K为拟合后直线斜率，x、y分别代表体系内气体分子均方位移曲线的横、纵坐标。
进一步的，步骤(1)中利用Materials Studio软件中的construction模块，分别构建包括绝缘油和气体-纤维素在内的多项基本单元，再通过软件中的Build Layer模块将各项基本单元合并成油纸绝缘界面与气体小分子混合模型。
进一步的，步骤(1)在构建油纸绝缘界面与气体小分子混合模型时，预先设置包括气体含量百分数、初始温度在内的初始参数。
进一步的，步骤(2)在进行平衡模拟时，在温度为300K、PCFF力场、Andersen控温方法、Berendsen控压方法作用下条件进行500ps的NPT系综的平衡模拟。
进一步的，步骤(3)在进行仿真计算时，分别施加不同的温度。
进一步的，所述方法还包括以下步骤：
(5)数据比对：将模拟计算得到气体分子扩散系数K与实验得到的油纸绝缘界面处产气趋势进行对比，证实采用模拟计算气体分子扩散系数具有可行性。
本发明的优点和有益效果是：
本发明方法利用分子动力学模拟计算气体小分子在油纸绝缘体系中扩散过程中的均方位移，将均方位移绘制成曲线，通过拟合曲线斜率，计算出不同温度下油纸绝缘体系中气体分子的扩散系数。同时，通过对油纸绝缘模型进行升温实验，绝缘纸产气速率与模型计算出的扩散系数增长趋势吻合度极高，为研究多物理场下气体分子的迁移特性提供支持。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
图1是本发明实施例所述方法的模拟计算流程图；
图2为本发明实施例步骤(4)绘制得到的曲线图。
具体实施方式
实施例：
如图1所示，本实施例提供了计算气体分子扩散系数的分子动力学模拟计算方法，包括以下步骤：
(1)模型构建：利用Materials Studio软件构建油纸绝缘界面与气体小分子混合模型，将其作为模型数据。具体来说，利用Materials Studio软件中的construction模块，分别构建包括绝缘油和气体-纤维素两个基本单元，再通过软件中的Build Layer模块将两个基本单元合并成油纸界面模型。
预先设置包括气体含量百分数、初始温度在内的初始参数，其中，气体含量设置为5％，初始温度设置为300K。
(2)平衡模拟：对所构建的油纸绝缘界面与气体小分子混合模型，在温度为300K、PCFF力场、Andersen控温方法、Berendsen控压方法作用下，进行500ps的NPT系综的平衡模拟，使用VelocityVerlet蛙跳法求解牛顿方程，使其在仿真计算前达到能量最低的平衡状态。
(3)仿真计算：对所构建的油纸绝缘界面与气体小分子混合模型，进行500ps的分子动力学仿真，根据实际工况在300-360K下，分别施加不同的温度，根据如下公式计算所有气体分子的均方位移：
MSD＝<|r(t)-r(0)|2>
式中，MSD为均方位移；r(t)和r(0)分别为t时刻和初始时刻粒子的位移坐标；<>表示求平均值。
(4)绘制曲线：将步骤(3)仿真计算得到的均方位移绘制成曲线，拟合后直线斜率K即为气体分子扩散系数，拟合曲线斜率的公式如下：
Figure BDA0003782024900000031
式中，K为拟合后直线斜率，x、y分别代表体系内气体分子均方位移曲线的横、纵坐标。
绘制得到的曲线，如图2所示。
仿真计算后得到的扩散系数为55.6178±6.4789μL/L。
对比例：
本对比例提供了利用油纸绝缘模型进行升温实验，计算绝缘纸产气速率的方法，具体步骤为：
1)将新绝缘纸与新绝缘油放入真空干燥箱内充分干燥、脱水，将处理后的绝缘纸与绝缘油共同放置在烧杯内，使其达到水分、溶解气体的平衡状态。
2)将平衡后的油纸绝缘试样放入油杯中，对其进行升温，使用气相色谱仪对绝缘纸产生的气体进行分析，测试两次取平均值。
3)根据实验结果可知，绝缘纸产生的气体速率约为58μL/L。
将上述升温实验结果与实施例获得的仿真结果进行比对，可知仿真结果与实验得到的扩散速率有较好的吻合性。
最后应说明的是，以上仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳布置方案对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案(比如各种公式的运用、步骤的先后顺序等)进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围。

Claims (6)

1.一种计算气体分子扩散系数的分子动力学模拟计算方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
(1)模型构建：利用Materials Studio软件构建油纸绝缘界面与气体小分子混合模型，将其作为模型数据；
(2)平衡模拟：对所构建的油纸绝缘界面与气体小分子混合模型，进行500ps的NPT系综的平衡模拟，使其在仿真计算前达到能量最低的平衡状态；
(3)仿真计算：对所构建的油纸绝缘界面与气体小分子混合模型，进行500ps的分子动力学仿真，分别施加不同的温度，根据如下公式计算所有气体分子的均方位移：
MSD＝<|r(t)-r(0)|2>
式中，MSD为均方位移；r(t)和r(0)分别为t时刻和初始时刻粒子的位移坐标；<>表示求平均值；
(4)绘制曲线：将步骤(3)仿真计算得到的均方位移绘制成曲线，拟合后直线斜率K即为气体分子扩散系数，拟合曲线斜率的公式如下：
Figure FDA0003782024890000011
式中，K为拟合后直线斜率，x、y分别代表体系内气体分子均方位移曲线的横、纵坐标。
2.根据权利要求1所述的计算气体分子扩散系数的分子动力学模拟计算方法，其特征在于，步骤(1)中利用Materials Studio软件中的construction模块，分别构建包括绝缘油和气体-纤维素在内的多项基本单元，再通过软件中的Build Layer模块将各项基本单元合并成油纸绝缘界面与气体小分子混合模型。
3.根据权利要求1或2所述的计算气体分子扩散系数的分子动力学模拟计算方法，其特征在于，步骤(1)在构建油纸绝缘界面与气体小分子混合模型时，预先设置包括气体含量百分数、初始温度在内的初始参数。
4.根据权利要求1所述的计算气体分子扩散系数的分子动力学模拟计算方法，其特征在于，步骤(2)在进行平衡模拟时，在温度为300K、PCFF力场、Andersen控温方法、Berendsen控压方法作用下，进行500ps的NPT系综的平衡模拟，使用Velocity Verlet蛙跳法求解牛顿方程。
5.根据权利要求1所述的计算气体分子扩散系数的分子动力学模拟计算方法，其特征在于，步骤(3)在进行仿真计算时，根据实际工况在300-360K下分别施加不同的温度。
6.根据权利要求1所述的计算气体分子扩散系数的分子动力学模拟计算方法，其特征在于，所述方法还包括以下步骤：
(5)数据比对：将模拟计算得到气体分子扩散系数K与油纸绝缘界面气泡析出实验得到的油纸绝缘界面处产气趋势进行对比，证实采用模拟计算气体分子扩散系数具有可行性。
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