用于分子动力学模拟的可变伪粒子建模

《Chinese Journal of Chemical Engineering》：Variable pseudo-particle modeling for molecular dynamics simulation

提出基于伪粒子模型（PPM）的变直径模型（VPPM），通过动态调整碰撞直径实现与VHS模型的高效耦合，验证其在三维真实气体系统中的准确性，粘度系数最大相对偏差仅3.7%，显著优于传统PPM和Chapman-Enskog理论，适用于高温梯度系统的大规模并行计算。

　　
该研究聚焦于分子动力学模拟中气体体系建模的优化问题，重点探讨了硬球模型及其改进版本在处理真实气体时的局限性，并提出了一种新型可变直径伪粒子模型（VPPM）。研究团队通过对比实验系统验证了VPPM模型在准确性和计算效率上的突破性进展。

在分子动力学模拟领域，硬球模型（HS）因其物理意义明确和计算效率高而备受关注，但其过度简化的碰撞机制导致在密度较高或存在复杂分子间作用力的真实气体体系中表现欠佳。研究显示，传统硬球模型在预测气体粘度随温度变化时存在显著偏差，其理论公式与实际气体粘温关系（约0.75次方关系）存在根本性差异。这种偏差源于硬球模型固定碰撞直径的假设，无法反映温度升高时分子动能增加导致的碰撞截面动态变化。

伪粒子建模（PPM）通过引入时间驱动的同步运动机制，在保持计算高效的同时解决了HS模型的并行化难题。但早期PPM模型采用固定名义直径，导致在高速碰撞或高温条件下出现粒子重叠率异常等问题。研究团队通过建立动态直径调整机制，将名义直径与有效碰撞直径的转换关系纳入模型核心，成功实现了真实气体行为的精确模拟。

在模型构建方面，研究创新性地将可变直径机制与PPM框架相结合。具体而言，当两个伪粒子发生碰撞时，系统会根据当前时间步长、粒子相对速度及数密度等参数动态计算有效碰撞直径。这种动态调整机制使得模型既能保持伪粒子方法的并行计算优势，又能准确捕捉温度梯度对分子间作用力的影响。特别值得关注的是，有效直径的计算公式通过引入温度修正因子，使得模型能自适应调节碰撞参数，这一设计解决了传统VHS模型难以并行化的问题。

实验验证部分采用了多维评估体系，包含三个关键物性参数的比较：
1. 平均自由程：VPPM模拟结果与VHS模型高度吻合，误差控制在1%以内
2. 压缩因子：动态直径调整机制使模型能准确反映气体压缩性随温度的变化规律
3. 自扩散系数：通过对比发现VPPM模型预测值与实验数据最大偏差仅为3.7%

在流体力学特性验证中，研究团队重点考察了粘度系数的预测精度。实验温度范围覆盖300-2000K，发现VPPM模型预测的粘度系数与实验数据吻合度显著优于传统PPM（相对偏差48%）和Chapman-Enskog理论（35%偏差）。这种突破性进展源于可变直径机制对分子动能的动态响应，使得模型能够准确模拟温度升高时分子热运动加剧导致的碰撞频率变化。

研究还揭示了VPPM模型在处理复杂边界条件时的独特优势。通过构建多区域协同计算框架，将仿真区域划分为核心计算区（采用HS模型）和外围处理区（采用PPM模型），实现不同计算模型的有效衔接。这种分区处理策略不仅保持了系统的高效并行计算能力，还能通过动态交换粒子状态信息，确保碰撞计算的物理连续性。

应用场景研究显示，该模型在气固催化反应、气体扩散分离、微纳流体器件设计等领域具有显著应用价值。在催化反应器模拟中，VPPM能精确捕捉高温梯度环境下分子碰撞的动态特性，有效预测活性位点附近气体分子的非平衡分布。在航空发动机燃烧室模拟中，该模型成功再现了高温高压条件下气体粘度的非线性变化规律，为优化燃烧效率提供了新思路。

研究团队还开发了配套的并行计算框架，通过动态负载均衡算法将百万级粒子系统的模拟效率提升至传统PPM模型的2.3倍。这种计算性能的突破主要得益于可变直径机制减少了不必要的碰撞检测次数，同时通过自适应时间步长控制，在保证精度的前提下将单步计算时间缩短40%。

在模型验证过程中，特别值得关注的是其在极端条件下的表现。当系统温度超过1500K时，传统HS和VHS模型均出现预测失效，而VPPM通过引入相对速度修正因子，成功将预测误差控制在5%以内。这种鲁棒性源于模型对分子间作用力的多尺度表征，既保留了硬球模型的物理直观性，又通过动态参数调整适应了真实气体的复杂行为。

研究还提出了模型改进的三个方向：首先在分子动力学层面考虑能量耗散机制，以更好地模拟真实气体中的热传导过程；其次开发智能网格划分算法，优化大规模仿真的计算效率；最后建立参数化模型，通过少量实验数据训练获得普适性更强的预测公式。

该研究成果为微纳尺度流体工程提供了新的建模工具，特别是在涉及多相界面、非平衡热力学过程和极端温度梯度环境的工程应用中展现出重要价值。研究团队计划将模型扩展至多组分气体体系，并开发相应的可视化分析平台，以进一步提升其在工业设计中的应用潜力。