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微孔中流体扩散系数的分子动力学模拟

俞勇强  
【摘要】: 在过去的几年里,计算机模拟越来越被认为是研究宏量流体性质和限制在微孔中流体性质的一门重要工具。同时,由于诸如纳米机器和微尺度存储材料等纳米技术富有成效的研究和发展更是有力的推动了微尺度计算机模拟技术的发展。流体的传递性质包括粘度,热导系数和扩散系数,这三种传递性质分别反映了流体三传过程(动量,能量和质量)中的动力学特性。它们是解释流体从驰豫到平衡整个过程中流体的动力学和热力学振荡的重要依据,因此也是化工,材料,医药,能源,环保以及多种微仪器(如微反应器,微热交换器和微流控系统)研究和设计必不可少的重要数据。从另一方面来说,在存在外力场或外加温度时,流体的传递性质对于获得一个完整的流体统一理论也是必不可少的,而这些传递性质往往很难依靠常规实验方法获得,因此,计算机模拟手段在这些领域的应用越来越体现出它自身的优越性。总之,用计算机模拟手段获得流体的传递性质在当前已经是一个研究非常活跃的科研领域。 微孔材料的吸收和催化特性主要是由于微孔中流体的传递性质扩散系数引起的。因此,对微孔中流体的系统研究对于流体在微孔中的催化和吸附等过程的优化是非常重要和具有工业应用意义及学术价值的。例如,特定温度和浓度下流体的自扩散系数对于设计石油精炼,固体表面清洗和芳香油提炼等工艺过程是一个必要的化工参数。本文的研究内容主要有: 1.运用分子动力学研究了在200K和300K下限制在金属有机骨架材料MOF-5中Ar-Kr二元混合物的互扩散系数,并且讨论了距离扩散系数和互扩散系数之间的关系。发现互扩散系数和各组份自扩散系数的比率R=D_(12)/D_s在300K时只有0.9013,比起200K时R=0.7716要小的多。我们通过运动轨迹分析,认为是MOF-5微孔中的吸附点影响了客体原子(如Ar或Kr原子)的运动,进一步改变了客体原子的扩散性质,并且温度越低相应的影响越大。同时,还简单地讨论了客体原子的径向分布函数随温度的变化。 2.分子动力学模拟为人们提供一种了解宏量流体以及微孔中流体各种性质的手段。我们运用分子动力学模拟方法研究了不同温度,不同流体密度和不同微孔孔径流体甲烷在云母片窄缝孔中的自扩散系数,并且基于Chapman-Enskog动力学理论以及Heyes对该动力学理论的拓展,运用数值分析的方法得到了温度,流体密度和微孔孔径的数学关联模型。最后,将所得到的数学关联模型用在微孔中流体水和氩的文献数据进行了验证,结果表明所得到的两个数学关联模型对微孔流体的平均相对误差通常小于13%。 3.一方面,依据各种宏量流体自扩散系数的实验数据和模拟数据,得到了宏量流体自扩散系数和相应流体密度和温度的关系,并且基于这些关系给出了一个宏量流体自扩散系数相对于相应的密度和温度的数学关联模型。我们发现宏量流体的自扩散系数(无单位化)正比于约化温度的0.2次方,而反比于约化流体密度。所得方程的拟合值具有较好的重现性,平均相对误差通常小于10%。另一方面,类似宏量流体自扩散系数和流体密度及温度的关系,我们给出了微孔中流体的自扩散系数和流体密度,温度以及微孔孔径的数学关联模型。我们认为,微孔中流体的自扩散系数(无单位化)正比于约化温度的0.2次方和孔径的0.2次方,而反比于约化流体密度。


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