利用LAMMPS 实现导热的分子动力学模拟

1. LJ体系的热导率模拟

1.1.问题描述

1.2模型说明

具体模型如图1.1所示。本次模拟采用LJ约化单位，晶体为面心立方结构，晶格参数为0.6，沿x（100）、y（010）方向为10倍晶格长度，z（001）方向为20倍晶格长度。采用compute chunk/atom将模型沿着z方向分成20块，设置底端0-1倍晶格长度为热端，中间10-11为冷端。模拟温度为1.35。先让模型在该温度下NVT弛豫1000步。然后再使用NVE系综，冷热源采用langevin控温。热端设置为1.7，冷端设置为1.0，弛豫到热源和冷源的温差达到相对稳定的状态。这时整体的热流基本也达到了稳定状态。此时再继续运行20000步，统计冷源和热源的动能转移和温度分布情况，用以计算热导率。

图1.1：晶体模型示意图

1.3结果整理与分析

在最后一1000步的温度梯度和温差波动如图1.2所示，可以明显看出热端和冷端的温度差，热流保持着相对稳定的状体。由于本次计算采用周期性体系，因此温度呈现V形分布。具体热导率的计算过程为：

（1） 热流密度计算:

总转移能量为(Q)：参与能量转移的原子数*(热端转移能量-冷端转移能量）/2；

总计算时间为(t)：时间步长*运行步数

截面积：lx*ly

热流密度:

(2) 温度梯度计算：

平均温差(dt)：0.57；

温度梯度（考虑周期性）：dt/2/lz

因此本次计算的热导率为3.39

图1.2：最后一1000步的温度梯度（左）和模拟过程中的温差波动