Status- und Perspektivseminar des SFB 716 Molekulardynamik ... · PROF. DR.-ING. HABIL. JADRAN...
Transcript of 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
PROF. DR.-ING. HABIL. JADRAN VRABECTHERMODYNAMIK UND ENERGIETECHNIK
INSTITUT FÜRVERFAHRENSTECHNIK
ThEt
Vortragsgliederung
• Modellierung unpolarer Fluide in Kohlenstoff-Nanokanälen
• Simulation von COUETTE- und POISEUILLE-Strömungen
• Untersuchung nanoskaliger Oberflächeneffekte
• Kontakt fluider Phasengrenzflächen mit einer Wand
PROF. DR.-ING. HABIL. JADRAN VRABECTHERMODYNAMIK UND ENERGIETECHNIK
INSTITUT FÜRVERFAHRENSTECHNIK
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 −−−=
PROF. DR.-ING. HABIL. JADRAN VRABECTHERMODYNAMIK UND ENERGIETECHNIK
INSTITUT FÜRVERFAHRENSTECHNIK
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)
PROF. DR.-ING. HABIL. JADRAN VRABECTHERMODYNAMIK UND ENERGIETECHNIK
INSTITUT FÜRVERFAHRENSTECHNIK
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
PROF. DR.-ING. HABIL. JADRAN VRABECTHERMODYNAMIK UND ENERGIETECHNIK
INSTITUT FÜRVERFAHRENSTECHNIK
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
PROF. DR.-ING. HABIL. JADRAN VRABECTHERMODYNAMIK UND ENERGIETECHNIK
INSTITUT FÜRVERFAHRENSTECHNIK
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.
PROF. DR.-ING. HABIL. JADRAN VRABECTHERMODYNAMIK UND ENERGIETECHNIK
INSTITUT FÜRVERFAHRENSTECHNIK
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
PROF. DR.-ING. HABIL. JADRAN VRABECTHERMODYNAMIK UND ENERGIETECHNIK
INSTITUT FÜRVERFAHRENSTECHNIK
ThEt
Einfluss des Kanaldurchmessers
PROF. DR.-ING. HABIL. JADRAN VRABECTHERMODYNAMIK UND ENERGIETECHNIK
INSTITUT FÜRVERFAHRENSTECHNIK
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.
PROF. DR.-ING. HABIL. JADRAN VRABECTHERMODYNAMIK UND ENERGIETECHNIK
INSTITUT FÜRVERFAHRENSTECHNIK
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
PROF. DR.-ING. HABIL. JADRAN VRABECTHERMODYNAMIK UND ENERGIETECHNIK
INSTITUT FÜRVERFAHRENSTECHNIK
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
PROF. DR.-ING. HABIL. JADRAN VRABECTHERMODYNAMIK UND ENERGIETECHNIK
INSTITUT FÜRVERFAHRENSTECHNIK
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
PROF. DR.-ING. HABIL. JADRAN VRABECTHERMODYNAMIK UND ENERGIETECHNIK
INSTITUT FÜRVERFAHRENSTECHNIK
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
PROF. DR.-ING. HABIL. JADRAN VRABECTHERMODYNAMIK UND ENERGIETECHNIK
INSTITUT FÜRVERFAHRENSTECHNIK
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
PROF. DR.-ING. HABIL. JADRAN VRABECTHERMODYNAMIK UND ENERGIETECHNIK
INSTITUT FÜRVERFAHRENSTECHNIK
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
PROF. DR.-ING. HABIL. JADRAN VRABECTHERMODYNAMIK UND ENERGIETECHNIK
INSTITUT FÜRVERFAHRENSTECHNIK
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.