分子動力學(xué)的模擬過程

1、分子動力學(xué)的模擬過程,程序流程也相分子動力學(xué)模擬作為一種應(yīng)用廣泛的模擬計算方法有其自身特定的模擬步驟 對固定。本節(jié)主要就分子動力學(xué)的模擬步驟和計算程序流程做一些簡單介紹。1. 分子動力學(xué)模擬步驟 分子動力學(xué)模擬是一種在微觀尺度上進(jìn)行的數(shù)值模擬方法。 這種方法既可以得到一些使用傳 統(tǒng)方法 ,熱力學(xué)分析法等無法獲得的微觀信息 ,又能夠?qū)嶋H實驗研究中遇到的不利影響因素 回避掉 ,從而達(dá)到實驗研宄難以實現(xiàn)的控制條件。分子動力學(xué)模擬的步驟為 :(1) 選取所要研究的系統(tǒng)并建立適當(dāng)?shù)哪M模型。(2) 設(shè)定模擬區(qū)域的邊界條件 ,選取粒子間作用勢模型。(3) 設(shè)定系統(tǒng)所有粒子的初始位置和初始速度。(4) 計

2、算粒子間的相互作用力和勢能 ,以及各個粒子的位置和速度。(5) 待體系達(dá)到平衡 ,統(tǒng)計獲得體系的宏觀特性。 分子動力學(xué)模擬的主要對象就是將實際物理模型抽象后的物理系統(tǒng)模型。因此,物理建模也是分子動力學(xué)模擬的一個重要的環(huán)節(jié)。而對于分子動力學(xué)模擬 ,主要還是勢函數(shù)的選取 ,勢函數(shù)是分子動力學(xué)模擬計算的核心。這是因為分子動力學(xué)模擬主要是計算分子間作用力,計算粒子的勢能、 位置及速度都離不開勢函數(shù)的作用。 擬模型相符 ,這樣可以使系統(tǒng)盡快達(dá)到平衡。另外 的速度相當(dāng) ,這樣可以減少計算機(jī)的模擬時間。 要想求解粒子的運動狀態(tài)就必須把運動方程離散化系統(tǒng)中粒子初始位置的設(shè)定最好與實際模,粒子的初始速度也最好與

3、實際系統(tǒng)中分子,離散化的方法有經(jīng)典 Verlet 算法、蛙跳算法 (Leap-frog) 、速度 Veriet 算法、 Gear 預(yù)估 -校正法等。這些算法有其各自的優(yōu)勢,選取時 可按照計算要求選擇最合適的算法。統(tǒng)計系統(tǒng)各物理量時 ,便又涉及到系統(tǒng)是選取了什么系綜。只有知道了模擬系統(tǒng)采用的系綜 才能釆用相對應(yīng)的統(tǒng)計方法更加準(zhǔn)確,有效地進(jìn)行統(tǒng)計計算 ,減少信息損失。2. 分子動力學(xué)模擬程序流程 具體到分子動力學(xué)模擬程序的具體流程,主要包括 :(1) 設(shè)定和模擬相關(guān)的參數(shù)。(2) 模擬體系初始化。(3) 計算粒子間的作用力。(4) 求解運動方程。(5) 循環(huán)計算 ,待穩(wěn)定后輸出結(jié)果。 分子動力學(xué)模

4、擬程序流程圖如 2.3 所示。4.分子動力學(xué)的發(fā)展趨勢分子動力學(xué)的發(fā)展同其他新事物的發(fā)展一樣，都遵循著從簡單到復(fù)雜，從全面到專業(yè)的發(fā)展歷程。從開始只有幾個分子動力學(xué)的開創(chuàng)者到現(xiàn)在各個行業(yè)的研究者都想應(yīng)用分子動力學(xué)模擬 來促進(jìn)自身行業(yè)的發(fā)展，分子動力學(xué)經(jīng)歷了巨大的發(fā)展。研究者們致力于如何幵發(fā)出通用性強(qiáng)，具有強(qiáng)大功能的分子模擬軟件，并且將其應(yīng)用于科學(xué)研 宄甚至是商業(yè)發(fā)展。他們不斷研究，認(rèn)真分析，力求改進(jìn)分子模擬算法，并且開發(fā)出更加準(zhǔn)確的 能夠表示各種系統(tǒng)的勢能模型。另外在分子動力學(xué)模擬運算速度上，科學(xué)家們也做了許多努力。眾所周知，分子動力學(xué)模擬計 算要受到計算機(jī)性能的限制。因此，研宄者們將并行計算

5、引入到了分子模擬計算中，克服了單機(jī)運算的弱點，大大提高了運算速度。例如將網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與并行計算平臺結(jié)合形成的一種微機(jī) 并行機(jī)群。它可以用普通的PC機(jī)構(gòu)建并行平臺，兼容性和可擴(kuò)充性都非常的好，在國內(nèi)外都得到了廣泛的應(yīng)用。微機(jī)并行機(jī)群的使用，使得在成本較低的情況下，計算速度得到提高。但是，并行計算需要另外編寫設(shè)計程序，其難度比編寫串行程序大很多，因此在編寫并行程序上 仍有很長的路要走。近些年來，越來越多的人發(fā)現(xiàn)光用單一的模擬方法在處理多尺度問題有很大的局限性。因此 要想透徹的研宄某個對象，就得從量化、分子動力學(xué)和介觀模擬多個尺度上進(jìn)行研究，特別是將這些方法結(jié)合起來使用。例如CPMD47模擬方法就是將量化計算