[論文レビュー] Poiseuille flow of liquid methane in nanoscopic graphite channels by molecular dynamics simulation

Martin Horsch, Jadran Vrabec+2 more|ArXiv.org|Nov 29, 2009

NMR spectroscopy and applications参考文献 9被引用数 3

ひとこと要約

本研究では、LS1/Mardynコードを用いた大規模分子動力学シミュレーションを用いて、ナノスケールのグラファイトチャネル内における液体メタンのポアゼュイユ流れを調査し、ナノスケールの境界支配の流れから連続体的挙動への遷移にわたりダルシーの法則が成り立つことを示した。シミュレーションは、20〜50 nmのチャネル幅の間で、スリップ支配の領域と連続体的領域との鋭い遷移を明らかにした。480万個の相互作用サイトを含むシステムについて、スーパーコンピュータ上で正確なスケーラビリティが達成された。

ABSTRACT

MD simulations of methane confined between graphite walls with up to 4,800,000 interaction sites, i.e., carbon atoms and methane molecules, are conducted, where the channel width is varied to include both the boundary-dominated regime and the transition to the continuum regime. This proves that MD can be used today to cover the entire range of characteristic lengths for which continuum methods fail.

研究の動機と目的

• 分子動力学を用いて、ナノスケールのグラファイトチャネル内における液体メタンの流体力学的挙動を調査すること。
• LS1/Mardyn MDシミュレータの、炭素ナノ構造を含む大規模な流体-固体系のシミュレーションにおけるスケーラビリティを評価すること。
• 閉じた幾何形状内におけるナノスケールのスリップ支配の流れと連続体的流れとの間の遷移領域を特定すること。
• グラファイト封入メタンにおけるナノスケールから連続体への遷移にわたり、ダルシーの法則の適用可能性を検証すること。
• 最適化された並列計算技術を用いて、炭素ナノ構造内の流体輸送の大規模MDシミュレーションを可能にすること。

提案手法

• メタン-メタンおよびメタン-炭素間の相互作用を、メタンの熱力学的性質を妥当化したパラメータを用いて、切り捨ておよびシフトされたレナードジョーンズ（LJ/TS）ポテンシャルでモデル化した。
• メタンとグラファイト炭素原子間の異種相互作用パラメータを導出するために、ローレンツ＝ベルテロート混合則を用いた。
• 実験的値（1.421 Å 対 1.461 Å）からの結合長のずれを補正するために、グラファイト壁にスケーリングされたTersoffポテンシャルを適用した。
• 不均一系において負荷バランスと通信効率を最適化するために、LS1/Mardynで等方的およびチャネル幾何形状に基づく空間的ドメイン分割を実装した。
• 外部加速度を制御するためのPIコントローラーを用い、z方向の目標流れ速度を維持した。ポアゼュイユ流れおよびコアンダーフローを模擬した。
• システムサイズが最大480万個の相互作用サイトに達するまで、カノニカル集団でシミュレーションを実施し、スーパーコンピュータ（cacauおよびHP XC6000）を用いた。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 グラファイトナノチャネル内における液体メタンの流れの挙動は、どのようにスリップ支配のナノスケールの流れから連続体的挙動へと遷移するか？
• RQ2 さまざまなチャネル幅において、閉じたメタンの流れにおける圧力勾配-速度関係をダルシーの法則がどの程度正確に記述できるか？
• RQ3 LS1/Mardyn MDシミュレータは、炭素ナノ構造を含む大規模な流体-固体系において、どの程度スケーラブルか？
• RQ4 異なる空間的ドメイン分割戦略（等方的対チャネルベース）は、不均一MDシミュレーションにおける性能にどのように影響するか？
• RQ5 メタンがグラファイトチャネル内でナノスケールと連続体的領域との間で遷移する際の、臨界的なチャネル幅範囲は何か？

主な発見

• 液体メタンがグラファイトチャネル内でスリップ支配の流れから連続体的挙動へと遷移するのは、20〜50 nmという狭い幅の範囲で発生する。
• ダルシーの法則は、ナノスケールおよび連続体的領域の両方において、グラファイトチャネル内におけるメタンの流れの圧力勾配-速度関係を正確に記述する。
• 2 nm未満のチャネルでは、境界スリップ速度が平均流れ速度の99％を超えており、最小スケールでの強い非連続体効果が確認された。
• LS1/Mardyn MDシミュレータは、スーパーコンピュータ上で強力なスケーラビリティを示し、最大480万個の相互作用サイトを持つシステムを処理できた。
• チャネル幾何形状に基づくドメイン分割は、等方的分割よりも、不均一な流体-固体系において優れた性能を示し、負荷バランスと通信効率の両方を向上させた。
• スケーリングされたTersoffポテンシャルにより、結合長が1.461 Åから1.421 Åに補正され、実験的値と一致した。