天然气水合物在自然界中储量巨大,是未来一种重要的能源。与水合物的开采技术一样,水合物的成核和生长也吸引了广泛的研究。科学家在研究水合物时发现1m~3的天然气水合物(可燃冰)可以储存150~170m~3(标准状态下)的天然气,且能在较低压力和较高温度的亚稳态条件下储存,不存在爆炸等危险,因此水合物有望成为一种新型的天然气储运方式。本课题利用分子动力学(MD)模拟了两种类型水合物(SI型和SII型)的生长过程,应用平衡态分子动力学计算了水合物的热导率。探究了影响水合物生长、水合物热导率的因素和机理,为水合物的工业生产、运输提供一定的温度、压力指导。本文首先采用甲烷SI型水合物-甲烷水溶液-甲烷气体三相系统模拟了SI型水合物的生长过程。在温度为270K、压力分别为30、50、70、90MPa的模拟条件下,水合物的生长速率随压力升高而增加。编程计算水合物生长过程中水溶液中甲烷浓度随时间的变化,发现压力越高,甲烷分子在水溶液中的扩散速率越快、平均浓度越高,导致水合物的生长速率越快。而在压力为50MPa,温度分别为240、250、260、270、280K条件下,260K时溶液中甲烷平均浓度最高,水合物生长速率最快。采用SII型水合物-水溶液-甲烷气体三相系统模拟了甲烷SII型水合物和甲烷-四氢呋喃SII型水合物的生长过程。模拟发现,水溶液中加入四氢呋喃后SII型水合物的生长速率略有减慢。其次利用VMD(可视化软件)观察了水合物笼子形成的微观过程,发现其形成并不是单向的,而是重复生成、溃灭、重生的过程。且观察到四氢呋喃在形成“碗形”结构后被吸附进水合物笼子,说明了水合物对客体分子具有吸引力。利用伞状抽样方法计算了平衡态下沿水合物生长方向水合物对甲烷分子的平均力势,结果表明在水合物-水溶液界面的水合物笼子处,平均力势最低,证明了水合物笼子对水溶液中的甲烷具有吸附作用。最后利用平衡态分子动力学和Green-Kubo公式计算了甲烷水合物的热导率,在263.15K条件下,计算的结果与实验数据吻合。探究了水合物热导率与温度的关系,在模拟的温度范围内,温度越高,水合物的热导率越低,且甲烷SII型水合物比甲烷SI型水合物晶体特征更明显。计算了原子声子态密度随温度变化,发现随温度升高,主体水分子中氧原子声子态密度峰值对应的频率降低,平动传热减弱,导致热导率降低。其次,探究了水合物热导率与客体分子的关系,结果表明相比于甲烷分子,体积更大四氢呋喃分子使得分子间耦合振动增强,热阻减小,水合物的德拜温度上升,热导率增加。最后分三种情况探究了水合物热导率与笼子占有率的关系,计算结果表明,热导率随占有率的下降有降低的趋势,这是由于占有率的下降使得甲烷分子激发的声子数量减少。同时,占有率相同但结构不同的水合物的热导率也有差别,排除计算误差的影响,说明占有率对热导率的影响因素不是单一的,还应该考虑空笼子导致的晶格缺陷对热导率的影响。