分子动力学方法模拟基本步骤
2页分子动力学方法模拟基本步骤1. 第一步 即模型的设定,也就是势函数的选取。势函数的研究和物理系统上对物质的描述研究息息相关。最早是硬球势,即小于临界值时无穷大,大于等于临界值时为零。常用的是LJ势函数,还有EAM势函数,不同的物质状态描述用不同的势函数。模型势函数一旦确定,就可以根据物理学规律求得模拟中的守恒量。2 第二步给定初始条件。运动方程的求解需要知道粒子的初始位置和速度,不同的算法要求不同的初始条件。如:verlet算法需要两组坐标来启动计算,一组零时刻的坐标,一组是前进一个时间步的坐标或者一组零时刻的速度值。一般意思上讲系统的初始条件不可能知道,实际上也不需要精确选择代求系统的初始条件,因为模拟实践足够长时,系统就会忘掉初始条件。当然,合理的初始条件可以加快系统趋于平衡的时间和步伐,获得好的精度。常用的初始条件可以选择为:令初始位置在差分划分网格的格子上,初始速度则从玻尔兹曼分布随机抽样得到;令初始位置随机的偏离差分划分网格的格子上,初始速度为零;令初始位置随机的偏离差分划分网格的格子上,初始速度也是从玻尔兹曼分布随机抽样得到。第三步趋于平衡计算。在边界条件和初始条件给定后就可以解运动方程,进行分子动力学模拟。但这样计算出的系统是不会具有所要求的系统的能量,并且这个状态本身也还不是一个平衡态。为使得系统平衡,模拟中设计一个趋衡过程,即在这个过程中,我们增加或者从系统中移出能量,直到持续给出确定的能量值。我们称这时的系统已经达到平衡。这段达到平衡的时间成为驰豫时间。分子动力学中,时间步长的大小选择十分重要,决定了模拟所需要的时间。为了减小误差,步长要小,但小了系统模拟的驰豫时间就长了。因此根据经验选择适当的步长。如,对一个具有几百个氩气Ar分子的体系,lj势函数,发现取h为0.01量级,可以得到很好的相图。这里选择的h是没有量纲的,实际上这样选择的h对应的时间在10-14s的量级呢。如果模拟1000步,系统达到平衡,驰豫时间只有10-11s。第四步宏观物理量的计算。实际计算宏观的物理量往往是在模拟的最后揭短进行的。它是沿相空间轨迹求平均来计算得到的(时间平均代替系综平均)
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