微孔中流體擴散系數(shù)的分子動力學模擬.pdf

1、在過去的幾年里，計算機模擬越來越被認為是研究宏量流體性質和限制在微孔中流體性質的一門重要工具。同時，由于諸如納米機器和微尺度存儲材料等納米技術富有成效的研究和發(fā)展更是有力的推動了微尺度計算機模擬技術的發(fā)展。流體的傳遞性質包括粘度，熱導系數(shù)和擴散系數(shù)，這三種傳遞性質分別反映了流體三傳過程(動量，能量和質量)中的動力學特性。它們是解釋流體從馳豫到平衡整個過程中流體的動力學和熱力學振蕩的重要依據(jù)，因此也是化工，材料，醫(yī)藥，能源，環(huán)保以及多種微

2、儀器(如微反應器，微熱交換器和微流控系統(tǒng))研究和設計必不可少的重要數(shù)據(jù)。從另一方面來說，在存在外力場或外加溫度時，流體的傳遞性質對于獲得一個完整的流體統(tǒng)一理論也是必不可少的，而這些傳遞性質往往很難依靠常規(guī)實驗方法獲得，因此，計算機模擬手段在這些領域的應用越來越體現(xiàn)出它自身的優(yōu)越性?？傊?，用計算機模擬手段獲得流體的傳遞性質在當前已經(jīng)是一個研究非?；钴S的科研領域。 微孔材料的吸收和催化特性主要是由于微孔中流體的傳遞性質擴散系數(shù)引起的

3、。因此，對微孔中流體的系統(tǒng)研究對于流體在微孔中的催化和吸附等過程的優(yōu)化是非常重要和具有工業(yè)應用意義及學術價值的。例如，特定溫度和濃度下流體的自擴散系數(shù)對于設計石油精煉，固體表面清洗和芳香油提煉等工藝過程是一個必要的化工參數(shù)。本文的研究內(nèi)容主要有： 1．運用分子動力學研究了在200K和300K下限制在金屬有機骨架材料MOF-5中Ar-Kr二元混合物的互擴散系數(shù)，并且討論了距離擴散系數(shù)和互擴散系數(shù)之間的關系。發(fā)現(xiàn)互擴散系數(shù)和各組份自

4、擴散系數(shù)的比率R=D<,12>/D<,s>在300K時只有0.9013，比起200K時R=0.7716要小的多。我們通過運動軌跡分析，認為是MOF-5微孔中的吸附點影響了客體原子(如Ar或Kr原子)的運動，進一步改變了客體原子的擴散性質，并且溫度越低相應的影響越大。同時，還簡單地討論了客體原子的徑向分布函數(shù)隨溫度的變化。 2．分子動力學模擬為人們提供一種了解宏量流體以及微孔中流體各種性質的手段。我們運用分子動力學模擬方法研究了不

5、同溫度，不同流體密度和不同微孔孔徑流體甲烷在云母片窄縫孔中的自擴散系數(shù)，并且基于Chapman-Enskog動力學理論以及Heyes對該動力學理論的拓展，運用數(shù)值分析的方法得到了溫度，流體密度和微孔孔徑的數(shù)學關聯(lián)模型。最后，將所得到的數(shù)學關聯(lián)模型用在微孔中流體水和氬的文獻數(shù)據(jù)進行了驗證，結果表明所得到的兩個數(shù)學關聯(lián)模型對微孔流體的平均相對誤差通常小于13％。 3．一方面，依據(jù)各種宏量流體自擴散系數(shù)的實驗數(shù)據(jù)和模擬數(shù)據(jù)，得到了宏量

6、流體自擴散系數(shù)和相應流體密度和溫度的關系，并且基于這些關系給出了一個宏量流體自擴散系數(shù)相對于相應的密度和溫度的數(shù)學關聯(lián)模型。我們發(fā)現(xiàn)宏量流體的自擴散系數(shù)(無單位化)正比于約化溫度的0.2次方，而反比于約化流體密度。所得方程的擬合值具有較好的重現(xiàn)性，平均相對誤差通常小于10％。另一方面，類似宏量流體自擴散系數(shù)和流體密度及溫度的關系，我們給出了微孔中流體的自擴散系數(shù)和流體密度，溫度以及微孔孔徑的數(shù)學關聯(lián)模型。我們認為，微孔中流體的自擴散系數(shù)