[发明专利]一种基于分子模拟的水合物生成模拟方法

权利要求书

1.一种基于分子模拟的水合物生成模拟方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)利用软件MaterialsStudio建立甲烷水合物单晶胞和相关分子模型，将得到的sI型甲烷水合物超晶胞和不同分子结构转换为分子模拟软件需要的三维坐标文件；

(2)利用GROMACS软件，引入步骤(1)得到的坐标文件，对sI型甲烷水合物的单胞进行2×2×2扩胞得到水合物超胞；

(3)利用GROMACS软件，设置模拟参数，在系统的左侧插入了上述2×2×2的种子超晶胞即完美的甲烷水合物晶体；之后将2×2×2的甲烷水合物超晶胞与不同摩尔分数的甲烷分子与水的混合物，按照水合物固相—气液混合物相的顺序进行叠加，之后在混合溶液中按照水分子与钠离子、氯离子个数比例为90：1：1的比例添加，模拟海水溶液，得到海水模拟条件下不同甲烷浓度的甲烷水合物生成的初始结构；

(4)利用GROMACS软件，引入步骤(3)所得到的初始构型，在设置相关模拟参数，先进行能量最小化操作，再进行位置约束，最后进行预平衡模拟后得到稳定构结构；

(5)利用GROMACS软件，引入步骤(4)所得到的稳定结构，沿所得到的结构Z轴方向加入不同摩尔分数的甲烷，根据选定的模拟参数，对体系进行分子动力学计算，得到分子轨迹三维坐标；

(6)对步骤(5)得到的分子坐标进行构象分析和生长参数评价，得到海水状态下甲烷水合物生成的构象和影响结果，其中生长参数评价包括CH₄进入水合物的数量变化、氢键数量变化、O-O径向分布函数变化和均方位移变化。

2.根据权利要求1所述一种基于分子模拟的水合物生成模拟方法，其特征在于，步骤(4)中，使用的能量最小化方法采用GROMACS软件中的最速下降算法，所述的预平衡模拟为NVT系综，后续的正式模拟采用NPT系综，采用蛙跳算法。

3.根据权利要求1所述一种基于分子模拟的水合物生成模拟方法，其特征在于，步骤(3)、步骤(4)和步骤(5)中，所进行的模拟参数包括分子及离子力场参数、分子间相互作用力参数、温度、压强、长程作用力和时长；其中，所述长程作用力采用粒子-网格Ewald算法进行计算；

步骤(3)中，温压参数选择从270K和20MPa，模拟时长为150ps；

步骤(4)中，温压参数选择270K和20MPa，模拟时长为1ns；

步骤(5)中，改变甲烷摩尔分数范围为xCH₄～0.09到xCH₄～0.21；模拟时长为200ns。

4.根据权利要求3所述一种基于分子模拟的水合物生成模拟方法，其特征在于，所述分子及离子力场参数包括甲烷分子、水分子及钠离子与氯离子的力场；其中甲烷力场采用OPLS-UA，即单点Lennard-Jones势函数；水分子力场采用TIP4P/Ice力场；钠离子与氯离子采用OPLS-AA力场。

5.根据权利要求3所述一种基于分子模拟的水合物生成模拟方法，其特征在于，所述分子间相互作用力参数包括相同的分子间相互作用和不同的分子间相互作用，同一分子间相互作用属于L-J参数，不同分子间相互作用采用Lorentz Berthelot混合规则。

6.根据权利要求3所述一种基于分子模拟的水合物生成模拟方法，其特征在于，步骤(3)所述温度参数采用V-rescale温度控制方法选定温度参数，采用Berendsen压力控制方法。

7.根据权利要求1所述一种基于分子模拟的水合物生成模拟方法，其特征在于，步骤(6)中，所述构象使用VMD软件进行查看，得到的模拟体系甲烷生成的实时构象，将轨迹gif化可得到相应图像。

8.根据权利要求1所述一种基于分子模拟的水合物生成模拟方法，其特征在于，步骤(6)中，所述O-O径向分布函数G(r)表达式如下：

其中，N指粒子数，ρ为密度，r为距原点为r处的距离。

9.根据权利要求2所述一种基于分子模拟的水合物生成模拟方法，其特征在于，步骤(6)中，利用均方位移用于描述粒子的运动状态，其代表粒子在t时刻与初始位置的距离的平均值；

均方位移MSD公式如下：

MSD＝|r(t)-r(0)|²

其中，t为时间，r(t)为粒子在t时刻的位置，r(0)为粒子的初始位置。