NaNO3-KNO3-NaNO2三元混合相变熔盐结构与物性的分子动力学模拟

导读

熔盐作为一种廉价、高效的传蓄热介质，在太阳能热发电等领域有着重要的应用。但是，由于熔盐的高温特性，其物性的实验测试成本高、难度大、精度低，对测试仪器的伤害也很大。而随着计算机科学的飞速发展，计算机模拟可以处理的体系越来越大，计算精度也越来越高，在很多情况下可以作为传统实验的替代和补充，尤其适合熔盐这种高温高腐蚀的场合。

本文通过经典分子动力学模拟的方法计算了质量比为7∶53∶40的NaNO3-KNO3-NaNO2三元混合熔盐。这种熔盐通常被称为HITEC，在工业上有着广泛的应用。本文计算了HITEC熔盐的结构与性质，包括径向分布函数、角分布函数、密度、剪切黏度、热导率、比热容等，并与文献中的实验值进行了比较，验证了势函数和计算方法的可靠性。

文

 倪海欧 等，

（华东理工大学国家盐湖资源综合利用工程技术研究中心）

文章目录及图文导读

1  分子动力学计算

1.1  力场模型

采用Buckingham势函数来描述模拟体系分子间库仑相互作用、短程排斥作用和范德华耗散作用。

1.2  计算方法

模拟计算使用开源计算软件Lammps进行。

表1  分子间势函数参数

表2  分子内势函数参数

2  结果与讨论

2.1 径向分布函数

径向分布函数（radical distribution function，RDF）是描述流体结构特征最重要的函数，其定义为。

图1  阳-阳离子对的径向分布函数

图2  阳-阴离子对的径向分布函数

图3  623 K下阳-阴离子对的径向分布函数

表3  阳-阴离子的配位数

2.2 角分布函数

为了获取团簇内部的取向信息，在径向分布函数的基础上，本文还计算了体系阴-阳-阴离子的角度分布函数（angular distribution function，ADF），以反映“键”的取向。

图4  N-M-N离子对的角分布函数

图5  623 K下N-M-N离子对的角分布函数

2.3 密度

图6  熔盐密度的计算值与文献值

2.4 热导率

图7  熔盐黏度的模拟值与文献

图8  熔盐热导率的模拟值与文献值

表4  熔盐的定压比热容计算值

3  结论

本文利用Buckingham势函数对NaNO3-KNO3- NaNO2三元混合熔盐进行了分子动力学计算。径向分布函数、配位数与角分布函数计算结果表明，随着温度的升高，离子间相互作用减弱，离子团簇变得松散，且异号离子之间距离变大，而同号离子间距没有明显变化。配位数与角分布函数表明混合熔盐中阴阳离子呈六配位八面体构型，且Na-N的八面体构型比K-N更为显著。同时本文对熔盐密度、剪切黏度、热导率、比热容进行了模拟计算，并与文献值进行了对比。结果表明，计算值与文献值均吻合得很好，验证了本文所采用的势函数与计算方法的可靠性，为下一步大规模计算模拟熔盐配方提供了研究基础。

标签：角分布,函数,KNO3,熔盐,NaNO3,NaNO2,势函数,计算,径向
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