[发明专利]一种基于分子动力学的材料表面结冰形核过程的监测方法

摘要

本发明公开了一种基于分子动力学的材料表面结冰形核过程的监测方法，该方法借助分子动力学理论和仿真计算软件，对水在不同物理化学状态的材料表面上异质形核结冰过程进行模拟仿真，克服时间与空间尺度的约束，对水初始形核位置、形核结冰过程中的晶型变化进行监测，基于模拟结果分析不同材料表面结冰形核的过程，探索表面状态与异质形核结冰过程之间的关系，从而有利于从分子层面解释结冰机理，可为各种期望利用表面物理化学改性达到防结冰效果的实验探索、工艺优化与产品开发提供理论支持。

主权项

1.一种基于分子动力学的材料表面结冰形核过程的监测方法，其特征在于，包括以下步骤：Step1：用分子动力学仿真软件LAMMPS建立不同形状微结构与水的接触模型，或者，不设置微结构，直接建立平面基体与水的接触模型；Step2：用分子动力学仿真软件LAMMPS对Step1中的接触模型进行初始化准备，得到平衡模型；Step3：用分子动力学仿真软件LAMMPS对Step2得到的平衡模型进行可以使水分子发生结冰形核的动力学弛豫，在一个大气压下设定模拟温度为冰点以下的任意温度，同时设定合理的动力学弛豫时间，保证系统中的水分子完成形核结冰过程，设定合理的输出步长，利用dump命令输出各个状态点水分子与基体的坐标；Step4：对于Step3得到的坐标信息，利用q6空间矢量判定程序判定每个分子的结冰状态，输出每一个状态点的结冰分子数量，得到数据后利用origin软件作图，得到结冰分子数量与时间的关系图，记录结冰分子数量结束震荡迅速上升的时间作为形核过程发生的时间，记录结冰分子数量停止上升趋于平缓的时间作为结冰过程结束的时间；Step5：截取形核结冰过程发生时间段内的数据，输出每个状态点各个分子的结冰状态与坐标，得到分子状态与坐标信息Dat文件，将Dat文件输入TECPLOT软件中，绘制三维空间粒子分布云图，自定义不同的颜色分别表示三种不同的粒子，分析水分子形核的位置；Step6：从Step5得到的Dat文件中提取已结冰的分子坐标，利用q3空间矢量判定程序判定每个结冰分子的晶型并分类输出晶型状态和坐标信息，统计立方晶型分子与六方晶型分子数量，得到分子状态与坐标信息Dat文件，将Dat文件输入TECPLOT软件中，绘制三维空间粒子分布云图，自定义不同的颜色分别表示立方晶型和六方晶型分子，统计两种晶型分子的数量并利用Origin软件绘图得到六方晶型分子与立方晶型分子数量随时间的变化趋势，分析结冰形核过程中晶型分布情况。