用MD方法计算磁场条件下水的粘度.doc

第 27 卷 第 2 期2001 年 4 月曲 阜 师 范 大 学 学 报Jo ur nal of Q u 第 27 卷 第 2 期 2001 年 4 月 曲 阜 师 范 大 学 学 报 Jo ur nal of Q uf u No r mal U niversity Vol . 27 No . 2 Ap r . 2001 Ξ 用 MD 方法计算磁场条件下水的粘度 张 军 , 周开学 ( 第一作者 :男 ,32 岁 ,讲师 ;石油大学应用物理系 ,257062 ,山东省东营市) 摘要 :将水系统视为正则系综 ,采用分子动力学模拟 ( Molecular dynamics simulatio n 简称 MD) 方法对磁 场作用下水的内能 、粘度和径向分布函数进行了计算 . 研究结果表明 : 磁场可以影响 g ( r) 的分布 ,使水的结 构发生变化 ,从而导致水的粘度发生改变 ;粘度与外加磁场强度的关系呈多极值特征 ,且在 B = 0 . 25 T 以及 常温下磁化效果最为明显. 关键词 :磁场 ; 水 ; 粘度 ; 内能 ; 径向分布函数 ; MD 方法 中图分类号 :O48215 文献标识码 :A 文章编号 :1001- 5337 (2001) 02- 0050- 04 现场应用和室内实验表明 : 磁处理对水及水溶 液的迁移性质 ( 如粘度 、热导率 、扩散系数等等) 会 产生影响 . 研究磁场对水及水溶液迁移性质的影响 对工业结晶 、作物生长 、改善血液循环以及油田开发 过程中的注水增渗等有重要的意义 . 但由于水和水 溶液结构的复杂性以及磁学理论不完善 ,使磁处理 的研究工作还停留在定性分析的水平上 . 近年来 , 随着现代计算机技术的突飞猛进 ,计算机模拟方法 为我们提供了 1 种从分子水平对复杂体系进行研究 的有效途径 . 分子动力学模拟是计算机模拟方法中 的 1 种 ,和蒙特卡罗计算机模拟方法相比 ,MD 模拟 不仅可以计算流体的静态热力学参量 ,而且可以计 算各种迁移性质 ,所以在流体研究方面得到了广泛 的应用. Hideki Tanaka 等人1 采用此 方 法 对 水 的 径向分布函数 、位能和扩散系数等热力学量进行了 研究 ;Bro ughto n J eremy Q 等人2 对晶液界面附近 粒子的运动轨迹 、平均自由程和扩散系数进行了模 同的研究对象 ,采用的分子间相互作用模型也不同 . 对于简 单 分 子 常 采 用 硬 球 、软 球 、L ennard-Jo nes 位 能 、Kihara 位能等模型 ; 对于复杂分子 ,可采用多中 心的 位 置 - 位 置 ( site- site ) 相 互 作 用 模 型 . 由 于 L ennard-Jo nes 位能模型简单 ,而且能够比较真实地 反映流体分子间的相互作用 ,所以在流体研究中得 到广泛应用 . 本文采用 L - J 位能模型 ,并将分子参 数代换为“有效参数”4 ,则 2 水分子之间的相互作 用势可表示为 V = 4ε[ (σ/ r) 12 - (σ/ r) 6 , ( 1) 式中有效参数 σ= 0 . 2791 nm ,ε/ k = 423 . 4 K , k 是 玻尔兹曼常数 . 外加磁场条件下水分子 i 和水分子 j 的磁矩间相互作用势5 可表示为 _ _ i j (2) V m m = mi ·mj - 3 , 式中 m 是单个分子的感应磁矩 、R 是 2 个水分子的 中心距离 . 由于分子间磁矩相互作用能 V m m 远大于外磁 场所引起的其他附加能量 , 所以在计算位能时仅考 虑外场所引起的分子间磁矩相互作用能 V m m 和 L - J 作用能 V , 则体系的内能 E 可表示为 K3 拟 ; Kiselev M 和 Heinzinger 通 过 MD 方 法 , 定 量计算了外加电场情况下 , Cl - 1 离子对水的结构的 影响. 但是对磁场条件下水的粘度的计算机模拟研 究工作尚 不 多 见 . 为 了 进 一 步 探 讨 磁 场 对 水 的 作 用 ,本文采用 MD 方法研究了磁场对水的结构及粘 度的影响 . N E = 3 N k T + ∑ ( V i , j m i m j ) + V , ( ) 3 2 i = 1 , j = 1 ( i ≠j) 式中 N 是体系的分子数. ( m 1 R ) ( m ·R ) R 2 μ0 4πR 3 为了更清楚地了解不同温度下磁场对内能的影响 ,本文计算了 B = 0 . 1 T 和 B = 0 . 25 T 为了更