甲烷水合物导热机理的分子动力学模拟.pdf

中国科学: 化学 2011 年 第41 卷 第1 期: 1 ~ 8 SCIENTIA SINICA Chimica SCIENCE CHINA PRESS 论 文 甲烷水合物导热机理的分子动力学模拟 * 万丽华, 梁德青, 吴能友, 关进安 中国科学院广州能源研究所; 中国科学院可再生能源与天然气水合物重点实验室, 广州 510640 *通讯作者, E-mail: liangdq@ 收稿日期: 2011-02-16; 接受日期: 2011-05-23 doi: 10.1007/s11426-011-4473-x 摘要 甲烷水合物导热系数是甲烷水合物勘探、开采、储运以及其他应用过程中一个十 关键词 分重要的物理参数. 我们采用平衡分子动力学(EMD) 方法 Green-Kubo 理论计算温度 甲烷水合物 导热系数 203.15~263.15 K 、压力范围3~100 MPa、晶穴占有率为0~1 的sI 甲烷水合物的导热系数, 采 分子动力学模拟 用的水分子模型包括 TIP4P 、TIP4P-Ew 、TIP4P-FQ 、TIP4P/2005 、TIP4P/Ice. 研究了主客 体分子、外界温压条件等对甲烷水合物导热性能的影响. 研究结果显示甲烷水合物的低导 热性能由主体分子构建的 sI 笼型结构决定, 而客体分子进入笼型结构后, 使得笼型结构导 热性能增强, 同时进入笼型结构的客体分子越多, 甲烷水合物导热性能越强. 研究结果还 显示在高温区域(TTDebye/3) 内不同温度作用下, 所有 sI 水合物具有相似的导热规律. 压力 对导热系数有一定影响, 尤其是在较高压力条件下, 压力越高, 导热系数越大. 而在不同温 度和不同压力作用过程中, 密度的改变对导热系数的增大或减小几乎没有影响. 测试, 其值约为 0.49 W m1 1 [2] 1 引言 K . Waite 等 采用稳态 平板法对温度为 243.15~268.15 K 的 sI 甲烷水合物的 甲烷水合物是由甲烷和水在一定温度、压力条件 导热系数作了测试, 其值约为 0.47 W m1 K1. 黄犊 下生成的一种非化学计量型笼型晶体, 天然气组分 子和樊栓狮[3]采用瞬变平面热源法实验测得 sI 甲烷 如 C H 、C H 、CO 、H S, 以及其他气体如Ne 、Ar 、 2 6 3 8 2 2 水合物在 263.15~278.15 K 附近, 其值约为 0.56 W Kr 、Xe 、N2 、O2 等都可以形成水合物. 甲烷水合物 m1 K1. 以上文献使用压缩样品的压力均较低. 的导热系数是甲烷水合物的基础热物性之一, 是甲 Rosenbaum 和 English 等[4]采用单面瞬态平面热源法 烷水合物勘探、开采、储运以及其他应用过程中一个 测试 276 K 、压力 2.5~43.7 MPa 甲烷水合物导热系数, 十分重要的物理参数, 研究甲烷水合物的导热性能 其测量值普遍大于目前所报道的测量值, 平均约为 具有重要意义.