Status- und Perspektivseminar des SFB 716 Molekulardynamik ... · PROF. DR.-ING. HABIL. JADRAN...

PROF. DR.-ING. HABIL. JADRAN VRABECTHERMODYNAMIK UND ENERGIETECHNIK

INSTITUT FÜRVERFAHRENSTECHNIK

ThEt

Status- und Perspektivseminar des SFB 716

Molekulardynamik-Simulation realer Fluide

in Nanokanälen

Markt Irsee, 21. September 2009

Martin HORSCH und Jadran VRABEC

SFB 716



ThEt

Vortragsgliederung

• Modellierung unpolarer Fluide in Kohlenstoff-Nanokanälen

• Simulation von COUETTE- und POISEUILLE-Strömungen

• Untersuchung nanoskaliger Oberflächeneffekte

• Kontakt fluider Phasengrenzflächen mit einer Wand



ThEt

Abstand in Å1,35 1,40 1,45 1,50

RDF

altneu

Molekulares Modell für Graphit

Ausblendung

R = 2,0 Å (1,8 Å) S = 2,35 Å (2,1 Å)

Abstoßung

λ = 3,587 Å-1 (3,4879 Å-1)

Anziehung

μ = 2,275 Å-1 (2,2119 Å-1)

Bindungslänge:

TERSOFF-Potential: 1,461 Å

Realer Wert: 1,421 Å

TERSOFF-Potential:

Reskalierte Potentialparameter:

( ))exp()θ,r,r()exp()( ijijkjkikijijijij rμBbrλArcu −−−=



ThEt

Simulation im großkanonischen Ensemble

Grand canonical molecular dynamics (GCMD) nach CIELINSKI:

• Vorgabe von μ, V und T in Teilvolumina

• Testweise Einsetzung und Löschung von Teilchenabwechselnd mit kanonischen MD-Schritten:

⎡ ⎤− − Δ⎛ ⎞ Λ= ⎢ ⎥⎜ ⎟

⎝ ⎠⎣ ⎦

3pot

del min 1,expU NP

kT Vμ

( )μ⎡ ⎤− Δ⎛ ⎞

= ⎢ ⎥⎜ ⎟ Λ +⎢ ⎥⎝ ⎠⎣ ⎦

potins 3min 1,exp

1U VP

kT N

LJTS-Fluid (rc = 2,5 σ)



ThEt

Prozesse50 100 150

Spee

dup

25

50

75

100

Prozesse10 20 30 40 50 60

Spe

edup

5

10

15

20

25

cacauXC 6000

High performance computing

ms2 (kleine Teilchenzahlen)

XC 6000cacau

ohne Lastbalancierungstatische Lastbalancierung

ℓs1 MardynMethan + Graphit



ThEt

Konfiguration der MD-Simulationen

POISEUILLE-Strömung:Eine Wand:Das Fluid wirdin z-Richtung beschleunigt.

COUETTE-Strömung:Zwei Wände:Eine Wand wirdin z-Richtung beschleunigt.

z

z

-z



ThEt

z

-z

Konfiguration der MD-Simulationen

POISEUILLE-Strömung:Eine Wand:Das Fluid wirdin z-Richtung beschleunigt.

COUETTE-Strömung:Zwei Wände:Eine Wand wirdin z-Richtung beschleunigt.



ThEt

y-Koordinate in nm0 5 10 15 20 25 30

loka

le z

-Ges

chw

indi

gkei

t in

m/s

0

5

10

0,6 - 0,75 ns1,05 - 1,2 ns

COUETTE-Strömung

0 5 10 15

0

5

10

POISEUILLE-Strömung

0,45 - 0,6 ns0,6 - 0,75 ns

T = 0,95 ε, ρ = 1,005 ρ', vz = 10 m/s, W = 0,353, d = 0,947 (WANG et al.)

Resultierende Strömungsprofile



ThEt

Einfluss des Kanaldurchmessers



ThEt

MD-Simulation von Tropfen im Gleichgewicht

Dampf und Flüssigkeitwerden getrenntvoneinander äquilibriert.

Ein kleiner (n < 10000)Tropfen wird in denDampf eingesetzt.

Das Gleichgewichtstellt sich aufgrund derbereits vorhandenenPhasengrenze sehrschnell ein.



ThEt

Druck in kPa0 500 1000 2000 2500

kriti

sche

Grö

ße in

Ato

men

100

1000

10000

90 K 97 K 110 K 124 K 131 K

Tropfengröße im Gleichgewicht

CNT (klassischeNukleationstheorie)

Argon

CNT mit stofflichemGleichgewicht μ* = μ

31

Δ32

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛= ∞∗

μAγn ( )[ ]

3

1

'Δ32

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛−−

= ∞∗

σppvμAγn



ThEt

Sμ1,3 1,4 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0

ln(J

/ cm

-3s-1

)

45

50

55

60

65117 K 97 K 90 K

ArgonFaktor 200

Nukleationsrate aus GCMD-Simulationen

Simulation CNT CNT mit μ* = μ



ThEt

Heterogene NukleationLJTS-Fluid: T = 0,9 ε und ρ = 0,0626 / σ³

Nukleationsrate im homogenen System:

Im MD-Simulationslauf detektierbare Raten:

45.05.016hom 100,2 −−−×= σmεJ

45.05.0910 −−−> σmεJ



ThEt

Konfiguration für die MD-Simulationen

Gleichgewichtszustand:

Der Meniskus ist einKreissegment.

YOUNG-Gleichung:

Verwendetes Wandmodell:

An festen Koordinatenüber Federn aufgehängtesLJTS-Potential

θ

vl

lsvscosγγγθ −

=

POISEUILLE-Strömung:Das Fluid wirdin z-Richtung beschleunigt.

COUETTE-Strömung:Eine Wand wirdin z-Richtung beschleunigt.

Kontaktwinkel:Meniskus zwischen den Wänden



ThEt

Abstand von der Wand in σ2 4 6 8 10 12

z-Ko

ordi

nate

in σ

-2

0

2

W = 0,07W = 0,09W = 0,1

W = 0,11W = 0,13W = 0,14W = 0,16

Flüssigkeit

Dampf

Einfluss der ungleichen Wechselwirkung auf θ

LJTS-Fluid, Wanddichte wie Graphit, T = 0,82 ε

harmonisch LJTS

LJTS

σFW = σ

εFW = Wε



ThEt

W

θ

0

45

90

135

180

0,20,150,1190,10,05

T = 0,73 εT = 0,88 εT = 1 ε

θ(T, E) = 90°

LJTS-Fluid, Wanddichte wie Graphit

( ) ( ) πWETθWETθ =−++ Δ,Δ,

Symmetrie des Kontaktwinkels θ



ThEt

Zusammenfassung

• Massiv-parallele MD-Simulation erlaubt Extrapolation vonder Nanometer- auf die Mikrometerskala.

• Strömungen durch Nanokanäle können im NVT-Ensembledurch eine gleichförmig wirkende Krafteinwirkung, imabschnittsweisen µVT-Ensemble auch durch einenGradienten des chemischen Potentials induziert werden.

• Die dispersive Wechselwirkungsenergie zwischen Fluidund Wand lässt sich durch Kontaktwinkelmessungenbestimmen.

Status- und Perspektivseminar des SFB 716 Molekulardynamik ... · PROF. DR.-ING. HABIL. JADRAN...

Documents

Transcript of Status- und Perspektivseminar des SFB 716 Molekulardynamik ... · PROF. DR.-ING. HABIL. JADRAN...