[논문 리뷰] 2D microscopic and macroscopic simulation of water and porous material interaction

E. G. Nikonov, Miron Pavluš외 1명|arXiv (Cornell University)|2017. 09. 18.

Gas Dynamics and Kinetic Theory참고 문헌 5인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 2차원 분자역학(미세구조)과 매크로스코픽 확산 모델을 조합한 하이브리드 시뮬레이션 방법을 제시하여, 슬릿형 다공성 구조에서 수증기와의 상호작용을 연구한다. 두 모델이 확산 계수와 밀도 측면에서 일관된 결과를 도출함으로써, 다양한 열역학 조건 하에서 수증기-다공성 구조 상호작용을 보다 정확하게 시뮬레이션하기 위한 하이브리드 방법의 타당성을 입증한다.

ABSTRACT

In various areas of science, technology, environment protection, construction, it is very important to study processes of porous materials interaction with different substances in different aggregation states. From the point of view of ecology and environmental protection it is particularly actual to investigate processes of porous materials interaction with water in liquid and gaseous phases. Since one mole of water contains $6,022140857\cdot 10^{23}$ molecules of $\mathtt{H_2O}$, macroscopic approaches considering the water vapor as continuum media in the framework of classical aerodynamics are mainly used to describe properties, for example properties of water vapor in the pore. In this paper we construct and use for simulation the macroscopic two-dimensional diffusion model describing the behavior of water vapor inside the isolated pore. Together with the macroscopic model it is proposed microscopic model of the behavior of water vapor inside the isolated pores. This microscopic model is built within the molecular dynamics approach. In the microscopic model a description of each water molecule motion is based on Newton classical mechanics considering interactions with other molecules and pore walls. Time evolution of water vapor - pore system is explored. Depending on the external to the pore conditions the system evolves to various states of equilibrium, characterized by different values of the macroscopic characteristics such as temperature, density, pressure. Comparisons of results of molecular dynamic simulations with the results of calculations based on the macroscopic diffusion model and experimental data allow to conclude that the combination of macroscopic and microscopic approach could produce more adequate and more accurate description of processes of water vapor interaction with porous materials.

연구 동기 및 목표

• 다양한 열역학 조건 하에서 고립된 2차원 슬릿형 다공성 구조와의 수증기 상호작용을 조사하기 위해.
• 미세구조 분자역학 시뮬레이션과 매크로스코픽 확산 모델의 정확성과 일관성을 비교하기 위해.
• 다공성 매체 내 수증기-다공성 상호작용을 시뮬레이션하기 위한 하이브리드 마이크로-매크로 접근법의 실현 가능성을 평가하기 위해.
• 실험 데이터 및 이론적 확산 모델과의 비교를 통해 시뮬레이션 결과를 검증하기 위해.
• 미세구조 및 매크로스코픽 모델이 수증기 밀도 및 농도 예측에서 수렴하는 조건을 규명하기 위해.

제안 방법

• 2차원 다공성 내에서 개별 H₂O 분자의 운동을 시뮬레이션하기 위해 클래식한 분자역학(MD)을 사용하였으며, Lennard-Jones 포텐셜(σ = 3.17 Å, ε = 6.74×10⁻³ eV)을 적용하였다.
• 수증기의 다공성 내 운동을 기술하기 위해 Bitsadze-Kalinichenko 프레임워크에 기반한 매크로스코픽 2차원 확산 모델을 사용하였다.
• drying 및 wetting 과정 동안 시간에 따라 변화하는 확산 계수를 MD 시뮬레이션을 통해 계산하였다.
• 온도 및 압력 입력을 바탕으로 공식 D = (kT / (6πηr)) × (1 / (1 + 2r / (3λ)))를 사용해 매크로스코픽 모델에서 일정한 확산 계수를 계산하였다.
• 경계 조건 영향을 평가하기 위해 외부 공간 스케일링 요소(k = 1, 2, 3)를 변화시킨 시스템을 시뮬레이션하였다.
• MD 모델과 매크로 모델 간의 시간에 따른 수증기 농도(공간 평균 기반) 및 분자 밀도의 변화를 추적하고 비교하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 미세구조 분자역학 모델과 매크로스코픽 확산 모델은 2차원 슬릿형 다공성 내 수증기 확산을 예측하는 데 어떻게 비교될 수 있는가?
• RQ2 MD 시뮬레이션에서 유도된 확산 계수와 매크로스코픽 확산 모델에서 유도된 계수 간의 일치 정도는 어느 정도인가?
• RQ3 외부 압력 및 온도의 변화가 다공성 시스템의 평형 상태 및 운반 특성에 미치는 영향는 어떠한가?
• RQ4 외부 공간 스케일링(k = 1, 2, 3)이 확산 동역학 및 시스템의 평형 도달에 미치는 영향는 어떠한가?
• RQ5 수증기 밀도 및 농도 예측에서 마이크로 및 매크로 모델이 수렴하는 조건는 무엇인가?

주요 결과

• 매크로스코픽 확산 모델은 25 °C 및 k=2 조건에서 일정한 확산 계수 1121.58 m²/s를 산출하였으며, 이는 시간 평균 MD 결과와 밀도적으로 일치하였다.
• T₀ = 25 °C 및 k=2 조건에서 MD 시뮬레이션은 최종 시스템 밀도 약 1.2×10²⁵ molecules/m³를 도출하였으며, 매크로스코픽 예측과 일치하였다.
• MD 시뮬레이션에서의 공간 평균 수증기 농도(w_sm)는 시간이 지남에 따라 매크로스코픽 모델의 해와 수렴하였으며, 특히 t₀ = 66532 psec에서 두드러진 수렴을 보였다.
• T₀ = 25 °C 및 k=2 조건에서 매크로스코픽 모델은 일정한 확산 계수 326.88 m²/s를 예측하였으며, 이는 평형 단계에서 MD 추정치와 일치하였다.
• 분자 수가 충분히 많은 MD 시뮬레이션 조건에서 하이브리드 접근법이 정확도 향상을 보였으며, 이는 Norman & Stegailov(2012)의 결과를 지지하였다.
• 온도 변화에 따라 확산 계수가 크게 변했으며, D는 k=1, T=15 °C일 때 1542.39 m²/s에서 k=3, T=35 °C일 때 168.95 m²/s로 감소하여 강한 온도 의존성을 반영하였다.