[发明专利]一种模拟外加电场对甲烷水合物生成分解影响的方法

权利要求书

1.一种模拟外加电场对甲烷水合物生成分解影响的方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)采用Materials Studio建立甲烷水合物晶胞，将得到的甲烷水合物结构的坐标信息转换为分子模拟软件所需的输入坐标文件；

(2)采用GROMACS软件，带入步骤(1)得到的坐标文件，并对甲烷水合物的晶胞进行2×2×2扩胞；

(3)采用GROMACS软件，设置模拟参数，在NPT系综下将一2×2×2甲烷水合物晶胞熔化成气液混合相，然后将甲烷水合物晶胞结构与气液混合相按照气液相-水合物相-气液相的顺序进行叠加，得到观测甲烷水合物生成分解的初始构型；

(4)采用GROMACS软件，带入步骤(3)得到的初始构型信息，设置模拟参数，依次能量最小化、位置限制性预平衡模拟后得到稳定构型；

(5)采用GROMACS软件，带入步骤(4)得到的稳定构型信息，沿着体系Z轴方向施加外加电场，设置模拟参数，进行分子动力学计算，得到分子轨迹坐标信息；

(6)对步骤(5)得到的分子轨迹坐标信息进行构象分析和计算分析，得到外加电场下甲烷水合物生成分解的动态构象和电场影响结果；

步骤(3)、步骤(4)和步骤(5)中，所述的模拟参数包括力场参数、分子间相互作用参数、温度参数、压强参数、长程作用力参数和模拟时长；其中，所述长程作用力参数采用Particle-mesh Ewald方法计算；

步骤(3)中，温压参数选择425K和10MPa，模拟时长为3.5ns；

步骤(4)中，温压参数选择260K和10MPa，模拟时长为1ns；

步骤(5)中，施加电场强度范围为0-2.0v/nm；余弦电场频率范围为0-1000GHz，模拟时长为200ns或300ns；

步骤(6)中，所述的计算分析包括水分子的F4序参数以及溶解在水中的甲烷摩尔分数，体系的结晶程度通过能够形成氢键的两水分子H---O...O---H扭转角来确定，水合物、液态水、冰的水分子F4序参数分别为0.7、-0.04和-0.4；

水分子的F4序参数采用下列公式计算：

F4＝cos3Φ

其中，Φ指距离小于0.35nm的两邻近水分子的H---O....O---H扭转角；

溶解在水中的甲烷摩尔分数采用下列计算公式：

其中N_{gas in water}指溶解于水中的甲烷分子数目，为模拟体系中全部水分子数，若某甲烷分子0.55nm半径内水分子数目不低于15个且此甲烷分子0.45nm半径内其他甲烷分子的数目不超过2个，则该甲烷分子被认为溶解在水中。

2.根据权利要求1所述模拟外加电场对甲烷水合物生成分解影响的方法，其特征在于，步骤(4)中，所述能量最小化方法采用GROMACS软件中的steepest descent minimization算法，所述的位置限制性预平衡模拟包括NVT系综及NPT系综，采用蛙跳(leap-frog)算法。

3.根据权利要求1所述模拟外加电场对甲烷水合物生成分解影响的方法，其特征在于，所述力场参数包括甲烷分子和水分子的力场；其中甲烷力场采用OPLS-UA模型，即单点Lennard-Jones势函数，其中水分子力场采用TIP4P/Ice模型。

4.根据权利要求1所述模拟外加电场对甲烷水合物生成分解影响的方法，其特征在于，所述分子的相互作用参数包括相同分子间相互作用和不同分子间相互作用，相同分子间相互作用均属于L-J参数，所述不同分子间的相互作用均采用Lorentz-Berthelot混合规则。

5.根据权利要求1所述模拟外加电场对甲烷水合物生成分解影响的方法，其特征在于，采用Nose-Hoover耦合方法控制温度参数，采用Parrinello-Rahman耦合控制压强参数。

6.根据权利要求1所述模拟外加电场对甲烷水合物生成分解影响的方法，其特征在于，步骤(6)中，所述构象分析采用VMD软件进行,得到利用电场下甲烷水合物生成或分解的实时动态构象。