【技術實現步驟摘要】
本專利技術屬于分子動力學仿真領域，具體涉及一種結合原子演化信息描述的非連續介質體系電子-晶格傳熱過程的仿真方法及電子設備。
技術介紹
1、1974年，anisimov等人首次提出了用于描述電子-晶格非平衡傳熱的雙溫度模型(ttm)，此后，該模型在一些研究中被用于描述納米結構中的熱效應，如燒蝕和激光對材料特性的影響。分子動力學(md)模擬是研究微觀尺度問題的一種非常有效的方法，通過計算機對原子核和電子所構成的體系中微觀粒子的相互作用和運動進行模擬，md方法主要關注原子的位置和速度，并未明確考慮電子的自由度，因此md方法僅能準確地模擬和描述原子間的相互作用和熱傳導行為，并不能直接描述電子的傳熱過程。在有限元模擬(fem)中也有相關研究手段通過雙溫模型模擬飛秒激光燒蝕現象，但是由于fem技術的特點，其無法描述原子級別的演化信息。
2、2003年leonid?v.zhigilei等人提出了將ttm和md相結合的方法，其中ttm描述電子系統中的激光能量吸收、電子和聲子之間的能量交換以及金屬中的快速的電子熱傳導，md方法用于模擬晶格過熱、熔化和燒蝕的非平衡過程，使得能夠在微觀尺度上描述激光作用在材料上的過程。然而這種方法僅適用于描述在連續的介質體系中的傳熱過程，其不能很好地識別和描述非連續的體系中的真空區域，也無法實時描述大量顆粒結構演化帶來的電子傳熱過程變化，存在失真問題。
3、2020年，sachin?kurian等人采用md方法建立了包含移動熱源的有限元熱模型，研究了隨機分布的鋁納米粉床的局部融化和凝固過程，然
4、2022年hao?huang等人基于ttm-md方法提出了模擬在液體環境中激光誘導納米顆粒破碎的過程，實現了在每個時間步長下描述團簇的尺寸和氣泡的分布，考慮了團簇的尺寸對電子-聲子耦合過程的影響。此方法側重于對液體邊界條件的模擬以及對團簇破碎后形成的納米顆粒在每個時間步長下的分布和尺寸對電子-聲子耦合參數的影響，而無法從原子尺度上反映非連續介質的電子-晶格傳熱過程。
技術實現思路
1、本專利技術的目的是提供一種能夠結合原子演化信息描述離散體系電子-晶格傳熱過程的仿真方法及電子設備。該方法則側重于在原子尺度上反映在超短脈沖激光作用下離散體系的電子-晶格傳熱過程，通過準確識別出非連續體系中的真空區域進而獲取傳熱過程的原子結構演化信息，并綜合結構演化信息對傳熱過程的計算進行實時修正，使仿真傳熱計算結果更符合實際情況。
2、為了達到上述目的，本專利技術采用以下技術方案予以實現：
3、第一方面，本專利技術提供一種結合原子演化信息的傳熱過程仿真方法，包括以下步驟：
4、s1：對體系進行初始化設置，指定傳熱迭代計算過程的時間步長δt和總時長t；
5、s2：將原子構型文件輸入到分子動力學計算軟件中，計算得到晶格溫度信息文件、原子密度信息文件和原子構型文件；
6、s3：讀取步驟s2輸出的晶格溫度信息文件和原子密度信息文件，對電子溫度進行迭代計算：對時間項進行時間離散，對空間二階偏導進行離散化，將傳熱方程的計算整合為矩陣格式以獲得迭代公式，再經單次迭代計算；輸出本次迭代計算完成后的電子溫度信息文件并更新晶格溫度信息文件；
7、s4：讀取步驟s2輸出的原子構型文件，進行速度標量縮放，更新每個原子的速度信息并編寫新的原子構型文件；
8、s5：對新的原子構型文件重復一次步驟s2～s4為完成一次迭代，共需迭代計算t/δt次。
9、進一步，所述步驟s1包括：設置非連續介質體系的網格劃分方式，對初始時刻的電子溫度場、外部熱源場、迭代計算過程的時間步長δt和總時長t進行設置。
10、更進一步，所述步驟s1中，網格的初始電子溫度場為300k，即室溫。
11、進一步，所述步驟s2包括以下子步驟：
12、s2.1在分子動力學計算軟件(如lammps)中，讀取原子構型文件，包括每個原子的坐標和質量信息；
13、s2.2將系統劃分為多個原子塊(例如網格或正方體)，每個塊包含一定數量的原子；
14、s2.3對每個原子塊，每隔指定步長，計算其中的原子數密度信息并存入密度信息文件中；
15、s2.4對每個原子塊，統計該原子塊內原子的速度，計算得到每個原子塊內原子的平均動能；根據統計物理學的理論將動能轉化為溫度，通過動能的平均值計算得到溫度值；
16、s2.5遍歷所有原子塊，記錄每個原子塊的溫度并存入晶格溫度信息文件中。
17、更進一步，所述步驟s2中，對步長的設置應在飛秒尺度下，這樣原子在這樣短的時間內很難移動較長的距離，原子演化并不劇烈，對后續傳熱方程的計算的影響較小。
18、進一步，所述步驟s3包括以下步驟：
19、s3.1通過二維電子傳熱方程對電子溫度進行計算，使用向前歐拉法對時間項進行時間離散，得到僅包含空間項的電子傳熱方程；
20、s3.2進一步對空間二階偏導進行離散化，使用中心差分方法，將單網格節點電子傳熱方程的計算拓展為對所有網格同時進行的矩陣操作；并進一步將所有網格的傳熱方程計算統一為矩陣計算；
21、s3.3通過識別原子密度信息文件來判別非連續介質體系的空隙，并對電子傳熱方程中的系數進行修正；
22、s3.4計算電子-晶格耦合過程提供的矩陣形式的全局熱源，并將其賦予給晶格溫度矩陣；
23、s3.5對修正過的電子傳熱方程進行單次計算，結合電子-晶格耦合過程，輸出晶格溫度矩陣、電子密度矩陣、電子熱導率矩陣、電子熱容矩陣、標識矩陣和熱擴散系數矩陣；
24、s3.6將計算所得的電子溫度矩陣與晶格溫度矩陣進行處理，得到原子按照分子動力學計算軟件中的原子構型文件的輸入格式寫入到電子溫度信息文件和晶格溫度信息文件中保存。
25、更進一步，所述步驟s3中，所述的二維電子傳熱方程為：
26、
27、其中，u表示溫度場，是空間位置坐標(x，y)和時間t的函數，a代表熱擴散系數，和分別代表x和y方向的熱擴散項，qv代表熱源項，v0(x，y)代表初值條件；
28、經時間和空間離散處理后得到二階偏導為矩陣形式的偏微分方程組：
29、
30、其中，a和b稱為差分系數矩陣，均為三對角對稱矩陣，但是大小不同，a為(nx，nx)，b為(ny，ny)；
31、u為電子溫度矩陣，其表示為：
32、
33、其中，nx和ny分別表示初始化設置后x和y方向的網格數量，δx和δy分別表示網格在x和y方向的長度；
34、迭代公式為：
35、
36、其中，un表示本文檔來自技高網...
【技術保護點】
1.一種結合原子演化信息的傳熱過程仿真方法，其特征在于，包括以下步驟：
2.根據權利要求1所述的結合原子演化信息的傳熱過程仿真方法，其特征在于，所述步驟S1包括：設置非連續介質體系的網格劃分方式，對初始時刻的電子溫度場、外部熱源場、迭代計算過程的時間步長ΔT和總時長T進行設置。
3.根據權利要求1所述的結合原子演化信息的傳熱過程仿真方法，其特征在于，所述步驟S2包括以下子步驟：
4.根據權利要求1所述的結合原子演化信息的傳熱過程仿真方法，其特征在于，所述步驟S3包括以下子步驟：
5.根據權利要求4所述的結合原子演化信息的傳熱過程仿真方法，其特征在于，所述步驟S3中，所述的二維電子傳熱方程為：
6.根據權利要求5所述的結合原子演化信息的傳熱過程仿真方法，其特征在于，所述步驟S3中，所述的二階偏導為矩陣形式的偏微分方程組中求得的二階偏導矩陣的邊界點是無效的，接下來根據仿真體系對其邊界條件的設置方法進行選擇，具體如下：
7.根據權利要求4所述的結合原子演化信息的傳熱過程仿真方法，其特征在于，所述步驟S3中，對傳熱方
8.根據權利要求4所述的結合原子演化信息的傳熱過程仿真方法，其特征在于，所述步驟S3中，所述的電子-晶格耦合過程應用公式為：
9.根據權利要求1所述的結合原子演化信息的傳熱過程仿真方法，其特征在于，所述步驟S4具體包括：從S2中提供的原子構型文件讀取的每個原子的初始速度值根據原子速度與溫度的關系：
10.一種電子設備，包括存儲器、處理器及存儲在所述存儲器上并可在所述處理器上運行的計算機程序，其特征在于，所述處理器執行所述程序時實現如權利要求1至9任一項所述結合原子演化信息的傳熱過程仿真方法。
...【技術特征摘要】
1.一種結合原子演化信息的傳熱過程仿真方法，其特征在于，包括以下步驟：
2.根據權利要求1所述的結合原子演化信息的傳熱過程仿真方法，其特征在于，所述步驟s1包括：設置非連續介質體系的網格劃分方式，對初始時刻的電子溫度場、外部熱源場、迭代計算過程的時間步長δt和總時長t進行設置。
3.根據權利要求1所述的結合原子演化信息的傳熱過程仿真方法，其特征在于，所述步驟s2包括以下子步驟：
4.根據權利要求1所述的結合原子演化信息的傳熱過程仿真方法，其特征在于，所述步驟s3包括以下子步驟：
5.根據權利要求4所述的結合原子演化信息的傳熱過程仿真方法，其特征在于，所述步驟s3中，所述的二維電子傳熱方程為：
6.根據權利要求5所述的結合原子演化信息的傳熱過程仿真方法，其特征在于，所述步驟s3中，所述的二階偏導為矩陣形式的偏微分方程組中求得的二階偏導矩陣的邊界點是無效的，接下來根據仿真體系對其邊界條件的設置方法進行選擇，具體如下：
7.根據權利要求4所述的結合原子演化信息的傳熱過程仿真方法，其特征在于，所述步驟s3中，對傳熱方程中的系數進行實時修正的方法為：通過讀取分...
【專利技術屬性】
技術研發人員：朱逸穎，宋梓賢，皇甫欣穎，羅威，肖曉暉，
申請(專利權)人：武漢大學，
類型：發明
國別省市：
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