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分享一个可以用于高精度模拟液态碳氢燃料相变的LAMMPS程序
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液态碳氢燃料比如柴油和航空煤油中含有大量的直链烷烃(n-C10H22, n-C12H26等）。分子动力学（MD）模拟可以帮助理解微纳米燃料液滴在航空推进系统中相变过程。联合原子势（United-Atom potential，简称 UA 势）是一种MD中常用的模拟碳氢燃料的势能模型，它将碳原子（C）和与其直接相连的氢原子（H）合并，看作是一个单一的、虚拟的“联合原子”作用中心，从而与全原子模型相比大大提升了技术速度。 目前常用的UA模型有：SKS potential [1], NERD potential [2], 和TraPPE potential [3]。这三种势能模型的共同特点是能够比较准确的复现碳氢燃料的饱和液体密度，但在复现燃料的饱和蒸汽压和饱和蒸汽密度时通常存在30%到40%的误差。而且如果在MD模拟中，截断半径（rcut）以外的Lennard-Jones（LJ）势被简单忽略，饱和蒸汽压和蒸汽密度的MD模拟结果会超出实验结果2到3倍。这样大的偏差将严重影响MD模拟碳氢燃料相变过程的可信度。 为了解决这个问题，我们近期对UA模型中的参数做了优化调试，把原有的UA模型改进成一个Improved United-atom (I-UA) model。在I-UA模型中，我们把原来的LJ势改为截断平移LJ势并调整了参数，让它更适合MD模拟并且能精确复现碳氢燃料的热性质。我们用I-UA模型模拟了七种不同的直链烷烃(n-C4H10 ~ n-C22H46）的九种热物理性质。如下表所示，MD模拟结果与实验数据的平均绝对偏差都在4.5%以内（粘度除外）： 热物理性质 平均绝对偏差 ———————————————— 饱和液体密度 1.6% 饱和蒸汽密度 2.3% 饱和蒸汽压 2.8% 临界温度 0.3% 临界密度 2.7% 临界压强 4.3% 表面张力 4.4% 蒸发潜热 2.1% 液体粘度 14.3% 我们在最近的文章中 [4]，提供了I-UA模型的具体参数以及怎样通过MD模拟获得这些热物理性质。在这片文章的supplementary material里，我们提供了LAMMPS程序。这个程序是用来算n-dodecane (n-C12H26)的饱和热物理性质的。为方便大家使用，我们对每一段程序都做了注解。大家可以很容易把它改成计算其他直链烷烃的热物理性质的LAMMPS程序。如果有任何关于文章和LAMMPS程序的问题，或者不能从JCP下载LAMMPS程序，可以给我们发邮件zlch5@mst.edu。邮件题目请不要写中文，否则会被学校邮箱自动放入垃圾信箱。 顺便做一个招聘广告，我们组招一个全奖（一年~$30K+免学费）博士研究生做分子模拟。学校：密苏里科技大学（原名密苏里罗拉大学），机械系。要求托福成绩>80，GRE成绩有就行。27年春季或以后入学都可以。感兴趣的直接发邮件到zlch5@mst.edu。 [1] B. Smit, S. Karaborni, and J. I. Siepmann, “Computer simulations of vapor–liquid phase equilibria of n-alkanes,” J. Chem. Phys. 102, 2126 (1995); “Erratum: ‘Computer simulations of vapor-liquid phase equilibria of n-alkanes,’” 109, 352 (1998). [2] S. K. Nath, F. A. Escobedo, and J. J. de Pablo, “On the simulation of vapor–liquid equilibria for alkanes,” J. Chem. Phys. 108, 9905 (1998). [3] M. G. Martin and J. I. Siepmann, “Transferable potentials for phase equilibria. 1. United-atom description of n-Alkanes,” J. Phys. Chem. B 102, 2569 (1998). [4] W. Tausif, J. Hartfield, A. George, and Z. Liang, An improved united-atom potential for molecular dynamics simulation of saturated properties of n-alkanes, J. Chem. Phys. 164, 044902 (2026) https://doi.org/10.1063/5.0306295 |
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