(19)中华人民共和国国家知识产权局
(12)发明专利申请
(10)申请公布号 CN 112347616 A(43)申请公布日 2021.02.09
(21)申请号 202011125543.8(22)申请日 2020.10.20
(71)申请人 桂林电子科技大学
地址 541004 广西壮族自治区桂林市七星
区金鸡路1号(72)发明人 尚玉玲 闫丫丫 李春泉 黄思源
刘正伟 谢 (51)Int.Cl.
G06F 30/20(2020.01)G06F 113/08(2020.01)G06F 119/08(2020.01)
权利要求书1页 说明书4页 附图2页
(54)发明名称
一种非平衡分子动力学（NEMD）模拟计算纳米流体的导热系数的方法(57)摘要
本发明提供了一种利用非平衡态的方法（NEMD）计算纳米流体的导热系数，该方法使用热源给体系输入能量，热汇将注入的能量输出。计算纳米流体中的温度梯度以及热流密度，从而可以精确的计算纳米流体的导热系数。本发明方法相对于平衡态计算纳米流体的方法，省去了计算部分焓，使得结果更准确。
CN 112347616 ACN 112347616 A
权 利 要 求 书
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1.一种非平衡分子动力学(NEMD)模拟计算纳米流体的导热系数的方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤1：在热源处注入能量，在热汇处抽取能量，在系综NVE的作用下，计算模拟盒形成m段温度梯度为P(1～m)；
步骤2：通过公式(1)计算热流密度：
式中代表的是热流密度，表示的每个时间步长增加或者减少的能量，A代表该模拟盒的横截面积，选用的是xy面作为截面，将模拟盒子沿z轴方向被分割成40块区域；
步骤3：利用热流密度除以每段温度梯度，把每段数据平均得到导热系数，得到纳米流体的导热系数；通过公式计算：
2.根据权利要求1所述的一种非平衡分子动力学(NEMD)模拟计算纳米流体的导热系数的方法，其特征在于：所述步骤1的具体步骤如下：
构建纳米流体的模型盒，将模拟盒平均分成40份，其中8～12的区块设置为热源，27～32的区块设置为热汇，在热源处注入能量，在热汇处抽取能量，在系综NVE的作用下，模拟盒会形成m段温度梯度为p(1～m)。
3.根据权利要求2中计算温度梯度的步骤如下：利用如下公式，计算温度梯度：其中p表示温度梯度的值，p＝(temp(a，n)-temp(b，n)((Lz/40)*(|a-b|))其中的n＝N(即是表示的是运行输出多少次)，表示的是在切分成40块的第a的块的温度与第b块的温度的相差值比上|a-b|块的长度，即为|a-b|块的温度梯度，共形成m段温度梯度。
4.根据权利要求1中所述步骤3的具体步骤如下：k＝-Q/pk1＝-Q/p1k2＝-Q/p2
……………….………………..km-1＝-Q/pm-1km＝-Q/pm
K1＝(k1+k2+……...+km-1+km)/mk＝(k1+k2+……...+kN-1+kN)/N
热流密度除以权利要求3中的m个温度梯度，得一组数据k1～km，并将这m个导热系数相加平均得到导热系数K1，模拟过程输出N组数据，并将这N个导热系数相加平均得到导热系数k。
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CN 112347616 A
说 明 书
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一种非平衡分子动力学（NEMD）模拟计算纳米流体的导热系数
的方法
技术领域
[0001]本发明属于分子模拟技术领域，涉及非平衡态模拟计算纳米流体的导热系数的方法。
背景技术
[0002]1995年美国 Argonne实验室率先提出纳米流体的概念，即以一定的方式和比例在常规工质中添加高导热系数的固体纳米颗粒而形成的新型传热工质。纳米流体内部发生着粒子和粒子以及粒子与附近基础液体之间的相互作用。纳米颗粒所受的微观作用力主要有：静电力、范德瓦尔斯力以及布朗力等。受微观作用力的相互综合作用，使纳米颗粒不停地在基液中做复杂的微运动。一些研究者将纳米流体基础液中纳米颗粒的微运动行为归结为一种解释纳米流体强化传热的重要机理；相比纯液体工质或常规尺度颗粒悬浮液，纳米流体具备以下优点：
（1）由于固体导热系数比液体大几个数量级，在单相工质中加入纳米级颗粒，其导热系数大大增加，且受多种因素影响。在同样的传热量下，如果增加传热效率，使用纯液体工质的热交换设备需耗费倍的泵功率，而如果使用导热系数增大了倍的纳米流体作为换热工质，则几乎不需要增加泵功率；
（2）常规毫米或微米尺度的固体颗粒由于不容易稳定悬浮，会导致热交换设备管道磨损、堵塞等不良结果；而纳米流体成功消除了颗粒的长时间悬浮稳定性问题，且具响明显提局的导热性能，对工质的流动换热性能可以明显改善。
[0003]目前计算纳米流体的方法主要采用的是平衡态的方法来计算纳米流体的导热系数。然而，该方法存在以下缺陷：
（1）由于平衡态方法（EMD）相对于非平衡态方法（NEMD）需要计算部分焓的问题，使得计算复杂；
（2）EMD方法相对于NEMD，模拟过程中会消耗大量的计算机的资源。[0004]针对上述的不足，本发明是在探索一种非平衡分子动力学模拟计算纳米流体的导热系数，达到可以弥补平衡态方法的不足和提高计算效率的优点。发明内容
[0005]本发明的目的是提供了一种利用非平衡态的方法（NEMD），利用NEMD方法计算纳米流体的导热系数，该方法使用热源给体系输入能量，热汇将注入的能量输出；进而计算纳米流体中的温度梯度以及热流密度，从而可以精确的计算纳米流体的导热系数。[0006]为了实现以上发明的目的，本发明采取以下技术方案：一种非平衡分子动力学（NEMD）模拟计算纳米流体的导热系数的方法，其特征在于：包括以下步骤：
（A）在热源处注入能量，在热汇处抽取能量，在系综NVE的作用下，计算模拟盒形成七段温度梯度为p（1~7）；
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说 明 书
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（B）通过以下公式计算热流密度：
式中Q代表的是热流密度，power表示的热源的能量，A代表该模拟盒的横截面积，选用的是xy作为截面，z轴被分割成40块；
（C）利用热流密度除以每段温度梯度，把每段数据平均得到导热系数，得到纳米流体的导热系数。
[0007]在热源处注入能量，在热汇处抽取能量，在系综NVE的作用下，计算模拟盒形成m段温度梯度为p（1~m），的具体步骤如下：
构建纳米流体的模型盒，将模拟盒平均分成40份，热源处于第8~12个模拟小块（1/4Z轴）的位置，热汇处于第27~32个模拟小块（3/4Z轴）的位置；在热源处注入能量，在热汇处抽取能量，在系综NVE的作用下，模拟盒形成七段温度梯度为p（1~m）。利用公式，计算温度梯度，计算步骤如下：p = (temp(a,n)- temp(b,n)/ ((Lz/40)*(|a-b|)其中p表示温度梯度的值，p = (temp(a,n)- temp(b,n)/ ((Lz/40)*(|a-b|),
其中的n=N（即是表示的是运行输出多少次），表示的是在切分成40块的第a的块的温度与第b块的温度的相差值比上a块的长度，即为a块的温度梯度，共形成m段温度梯度。[0008]根据权利要求1中所述步骤3的具体步骤如下:
……………….………………..
K1=（k1+k2+……... +km-1+km）/mk=（k1+ k2+……... +kN-1+kN）/N用热流密度除以m个温度梯度，如公式得到数据k1~km，并将这m个导热系数相加平均得到导热系数K；共输出N组数据，并将这N个导热系数相加平均得到导热系数k。[0009]本发明的优点在于：
（1）采用非平衡态方法计算纳米流体的导热系数，相对于平衡态的计算方法省去了计算部分焓的问题，以及可以加快运算进展；
（2）采取的将热源热汇放置在模拟盒的1/4Z轴与3/4Z轴之处。从而形成多段温度梯度，多次平均使得结果更加准确。
附图说明
[0010]图1是本发明中所述方法的流程图。
[0011]图2是热源热汇放置在模拟盒的1/4Z轴与3/4Z轴处的示意图。
[0012]图3是以水基氧化铝为例的纳米流体在热源热汇的作用下形成的温度梯度。
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图4是本方法模拟计算以水基氧化铝为例的纳米流体的导热系数。
具体实施方案
[0014]下面结合附图和具体实施方案对本发明做进一步详细的说明。[0015]本发明是一种非平衡分子动力学（NEMD）模拟计算纳米流体的导热系数的方法；为了使结果更加准确，在模拟盒的构建纳米流体的模型盒，将模拟盒平均分成40份，热源处于第8~12个模拟小块（1/4Z轴）的位置，热汇处于第27~32个模拟小块（3/4Z轴）的位置；如图3所示的纳米流体的模型盒热源热汇示意图；在热源处注入能量，在热汇处抽取能量，在系综NVE的作用下，模拟盒形成m段温度梯度为p（1~m）。[0016]实施例1
本实施例采用的纳米流体是体积分数2.48%的水基氧化铝纳米流体，纳米颗粒的粒径是10.86Å，纳米流体采取的模拟盒是3nm3nm6nm长方体，在模拟盒中放置两个纳米颗粒，并充满水分子，总含有的原子数为5431，密度是1.14g/cm3，原子之间采用的是L-J势势函数模型，时间步长是1fs，在系综NPT与NVT作用下进行驰豫，模拟时长是20ps。[0017]对模拟盒进行驰豫之后，将模拟盒切分出热源热汇的区域。在热源的位置注入能量，在热汇的位置输出能量。并在系综NVE的作用下，运行100w步，时长为1ns，每1w步记录一组温度梯度数据，共计100组数据；把这100组数据的温度梯度汇总到一个图上，如图3所示；划分为7段温度梯度，热源与热汇两端的几个模拟小块的温度梯度会相对大一点。把图中的温度梯度与七段温度梯度对应。[0018]利用如下公式，计算温度梯度：
p1 = (temp(6,n)-temp(1,n))/((Lz/40)*6)p2= (temp(11,n)-temp(6,n))/((Lz/40)*5)p3= (temp(11,n)-temp(15,n))/((Lz/40)*4)p4 = (temp(15,n)-temp(27,n))/((Lz/40)*12)p5 = (temp(27,n)-temp(30,n))/((Lz/40)*3)p6 = (temp(34,n)-temp(30,n))/((Lz/40)*4)p7 = (temp(40,n)-temp(34,n))/((Lz/40)*6)其中p1、p2、p3、p4、p5、p6和p7分别表示7个温度梯度的值。利用热流密度除以温度梯度，计算导热系数。
[0019]
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……………….;………………..;
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K1=（k1+k2+……... +km-1+km）/m
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说 明 书
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k=（k1+ k2+……... +kN-1+kN）/N用热流密度除以7个温度梯度，得到数据k1~k7，并将这7个导热系数相加平均得到导热系数k，模拟过程输出100组数据，并将这100组导热系数平均得到导热系数k。[0020]模拟结果说明：本发明可以运用到分子动力学模拟实例计算的过程中，可以真实模拟计算在不同温度下的导热系数。
[0021]本发明可以应用到多种氧化物纳米颗粒的纳米流体，比如CuO，Fe3O4等等氧化物颗粒构建的纳米流体的导热系数；也可以模拟纯液体的导热系数。
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说 明 书 附 图
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说 明 书 附 图
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图4
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