天然气水合物内部热输运分子动力学研究

发布时间：2020-06-07 05:47

【摘要】：天然气水合物具有储量大,能量密度大等特点,是一种理想的能源。目前,实验科学在研究水合物的热力性质,合成分解等方面取得了巨大的进展,但是由于实验方法和手段的限制,无法从微观上给出详细的解释。研究水合物内部的热输运过程对天然气水合物的开采,天然气的储存运输有着非常重要的意义。本文分别采用了平衡和非平衡分子动力学方法模拟了甲烷水合物的热输运过程,结合声子模式分解,研究了温度,晶穴占有率,作用力强度等对热输运过程的影响。本文模拟了甲烷水合物在30 K到265 K之间的热输运过程,采用的TIP4P势能函数能够很好的描述甲烷水合物的径向分布函数,晶格常数的变化和热导率的变化趋势。相对来说,碳原子和氧原子态密度在低频区域振动充分耦合,声子弛豫时间随温度增加逐渐减小,声学声子导热在水合物的导热中比重最大。水合物中包含水和甲烷两种分子,为了研究每种分子对导热的贡献,把总的导热分为水分子相互作用产生的导热,甲烷分子和水相互作用产生的导热以及甲烷分子相互作用产生的导热。研究表明,水分子相互作用产生的导热在甲烷水合物导热中占主导地位,占比超过了90%;水和甲烷耦合作用产生的导热占比次之;占比最小的是甲烷分子相互作用。为了研究不同晶穴占有率的影响,模拟了晶穴占有率对热输运过程的影响,随着晶穴占有率的增加,甲烷水合物的热导率逐渐减小,声子平均自由程和态密度重叠区域的能量分布也减小。随着碳氧原子之间相互作用力的增加,碳氧原子之间振动的耦合程度增加,甲烷水合物的热导率增加。SPC/E和TIP4P两种势能函数得到的水分子结构基本一致,SPC/E势能得到的热导率与实验值更接近,而TIP4P势能得到的态密度与文献更接近。采用量子修正对分子模拟结果进行处理,可以得到更接近实验值的结果。甲烷水合物的最小热导率随温度的增加逐渐增加,高于德拜温度时逐渐趋于稳定。平衡分子模拟和非平衡分子模拟都能够很好的预测甲烷水合物热导率的变化趋势,两种方法得到的水合物结构和态密度曲线一致。在50 K-250K之间,随着温度的升高,水合物的平均自由程逐渐降低,声子平均速度逐渐增加,声子弛豫时间逐渐减小。
【图文】：

分子动力学模拟都采用 LAMMPS 并行软建立的模型并不相同，既有 2×2×2模型的声子模式太少，就会导致热导率受到的影响，分别建立了 2×2×2，3×3×3物模型初始结构示意图，其中红色原子原子，虚线表示水分子之间形成的氢键。晶胞常数为 11.877 。氧原子的初始位置足 Bernal-Fowler 规则[44]，，以保证总的角晶穴的中心处，填满整个模型的晶穴。

第三章 天然气水合物热输运平衡分子动力学模拟研究在 10~35 THz 间的能谱形状基本一样，表明甲烷水合物中的高频声子主导，它既不受温度影响也不受客体-主体间作用强的温度，在 26-28THz 的区域内有一个明显的峰值，与 Eng域的幅值要远远大于低频区域（12 THz 以下），表明低频区分耦合，高频区域的声子更容易在水合物中消散，从而声学起主导作用。能谱的振荡特性是由于局域化的光学模式，即映了孤立谐振子的局域化特性。随着温度的升高，能谱的峰子和甲烷分子之间振动的充分的耦合[13]。
【学位授予单位】：中国石油大学(华东)
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TE642

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本文编号：2700946