[发明专利]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

说明书

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。

技术领域

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

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。

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。

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

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。

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）；

（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。

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：