天然气水合物广泛赋存于深海和永久冻土地带,以其储量大、燃烧热值高、污染小等优点备受各国青睐,被誉为21世纪潜在的新能源之一。现目前对于天然气水合物微观机理的研究尚不完善,很大程度上制约了天然气水合物的研究进展。本文在Materials Studio平台上,通过分子动力学方法对不同环境下sI型甲烷水合物分解的微观过程进行模拟,总结了水合物开采时微观层面上晶体结构变化规律;并研究了不同晶穴结构中客体分子占有率、毗邻相相态等因素对甲烷水合物分解的影响,为天然气水合物开采技术发展提供了理论支撑。主要研究成果如下:(1)通过高精度的量化计算方法检验了动力学模拟中使用的CVFF力场准确性,发现CVFF力场能够合理描述甲烷水合物中各分子间相互作用。(2)通过分子动力学方法研究了甲烷水合物在单晶和三相体系中的分解行为,研究发现,单晶体系内水合物分解过程主要包括晶穴扭曲变形直至破裂,晶穴中的甲烷分子逸出并逐渐聚集形成甲烷气泡;而三相体系中由于相界面的存在,水合物分解过程分为两个阶段:由于相界面附近甲烷分子的迅速扩散导致开放晶穴扭曲变形以及封闭晶穴获得足够活化能后从两侧相界面到水合物晶体中心逐层分解。(3)研究了不同毗邻相相态对甲烷水合物分解速度的影响,发现毗邻液相的水合物层和毗邻气相的水合物层在初始分解速率和后续的分解速率变化上存在明显差异。毗邻液相侧的水合物层初始分解速率明显高于气相侧。但随分解继续进行,由于液膜的阻碍和甲烷分子在液相中扩散的高难度,液相侧水合物层分解速率逐渐被气相侧超过。(4)通过体系势能变化研究了特定晶穴占有率对甲烷水合物分解速度的影响,发现相同总晶穴占有率的水合物体系,由于空缺晶穴类型的不同,表现出明显的分解速度差异。水合物体系大晶穴缺失客体分子后稳定能下降的幅度大于小晶穴,导致大晶穴空缺的甲烷水合物分解速度更快。这种特定晶穴占有率导致的分解速度差异随温度上升不断减小。