分子动力学模拟海水吸收二氧化碳及计算相关扩散系数

论文摘要

分子动力学模拟能够研究物质的宏观性质,并且可以获得实验无法观察到的微观细节,因此在物理、化学、材料科学等领域获得了广泛应用。另一方面,海洋科学中的许多理论计算目前还有很多不尽如人意的地方,其中的一些问题与分子动力学密切相关,能否将分子动力学模拟方法引入到海洋科学中是一个有意义的尝试。目前这方面的工作还未见报道。本文将分子动力学方法应用在海气二氧化碳通量的研究中,结果显示该方法在海洋科学领域有一定的可应用性,计算结果如下:(1)模拟海水对大气二氧化碳的吸收过程,结果显示二氧化碳分子进入海水的深度有限,通常集中分布在海气界面附近。所以我们认为分子运动对海水存储二氧化碳的贡献较小。(2)模拟大气二氧化碳浓度对海水吸收大气二氧化碳过程的影响,得到了二氧化碳在海水里的溶解度和二氧化碳的空间分布数据与大气二氧化碳浓度之间的依赖关系。结果显示,随着大气二氧化碳浓度的升高,二氧化碳在海水中的溶解度变大,进入海水的深度变大,分布集中度降低。(3)模拟了温度对海水吸收二氧化碳过程的影响。结果显示,随着温度的升高,二氧化碳更为集中地分布在海气界面附近。(4)观察海水分子和海水中的二氧化碳分子的运动,计算得到海水的扩散系数和二氧化碳在该海水中的扩散系数。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 引言
• 1.1 研究背景及问题的提出
• 1.2 论文的主要内容及结构安排
• 第二章 分子动力学方法简介
• 2.1 前言
• 2.2 分子动力学的基本原理和模拟步骤
• 2.2.1 牛顿运动方程
• 2.2.2 系综理论
• 2.2.3 分子动力学的模拟步骤
• 2.3 分子动力学模拟技术
• 2.3.1 势函数的选取
• 2.3.2 边界条件
• 2.3.3 数值积分算法——有限差分法
• 2.3.4 调温技术
• 第三章 分子动力学方法模拟海水吸收大气二氧化碳
• 3.1 模型
• 3.2 模拟细节
• 3.3 结果和讨论
• 3.3.1 分子动力学模拟海水吸收大气二氧化碳
• 3.3.2 大气二氧化碳浓度对海水吸收大气二氧化碳的影响
• 3.3.3 温度对海水吸收大气二氧化碳的影响
• 3.3.4 小结
• 第四章 分子动力学方法计算海水和二氧化碳的扩散系数
• 4.1 前言
• 4.2 扩散系数公式
• 4.3 模拟细节
• 4.4 结果和讨论
• 4.4.1 海水与二氧化碳的扩散系数
• 4.4.2 小结
• 第五章 总结
• 参考文献
• 攻读硕士期间完成的论文
• 致谢