在现代社会中,能源是人类赖以生存和发展的物质基础。由于传统的化石能源的使用严重危害了我们的地球家园,给海陆空环境都带来了不可磨灭的危害,给人类的可持续发展敲响了警钟,因此使用清洁能源例如天然气已成为新的趋势。天然气的主要成分是甲烷(CH4),因其燃点低、热值高,并且容易燃烧和储存等特征已被广泛使用。当前全球能源发展正进入天然气时代,在我国加强环境整治、建设美丽中国的形势下,能源结构调整加快,天然气需求量高速增长,尽管国内天然气产量保持快速增长、北美页岩气产量增长以及中东、中亚、深海天然气产量都在快速增长,但国产气占主体地位的天然气供气结构仍无法满足中国14亿人口巨大的天然气消费需求。近年来,天然气水合物由于其分布范围广、资源储量大、能量密度高、清洁无污染等优点被人们广泛关注。天然气水合物被认为是天然气的一个巨大来源,因为单位体积的固体气体水合物包含大量的气体,在标准条件下是固体体积的150-170倍,一致被认为是21世纪能够有效缓解能源危机的重要战略资源。因此积极发展天然气水合物,推动天然气水合物有效开发,加快新能源发展,可以缓解天然气进口的压力,优化中国能源结构,保障天然气供应安全。目前,对天然气水合物的各种性质的实验研究方面已经取得了非常大的突破,但是由于天然气水合物在自然界中存在的条件非常苛刻,实验手段在很大程度上受到限制,并且实验也很难在微观角度上对天然气水合物存在的现象和性质给予解释。随着计算机技术的飞速发展,分子模拟技术已经被广泛的应用到科学研究的各个领域,成为了在分子尺度上了解微观现象的强有力的工具。因此模拟研究对水合物的开发、利用具有重要的现实意义。本论文主要利用分子模拟的方法对在受限空间生长的Structure-I(SI)型甲烷水合物生长及各种性质和甲烷丙烷(CH4、C3H8)混合气体存在的情况下,SI型、Structure-II(SII)型气体水合物生长及各种性质进行了系统的研究,这对利用实验手段研究天然气水合物具有重要的指导意义。目前主要完成工作如下:1、由于地球的水川和海底中矿物之间的间隙是天然气水合物的普遍存在的环境,因此理解水合物在矿层之间的成核生长,以及相平衡有着重要的实际意义。我们采用经典分子动力学模拟(classic molecular dyanmics simulation)方法,以SI型甲烷水合物作为研究对象进行了近微秒级动力学模拟研究,发现在存在层状双氢氧化物(layered double hydroxides,LDHs)的情况下,SI型甲烷水合物在不同尺寸的受限空间内和不同层间阴离子存在下熔点及各种物理化学性质的变化情况。研究表明SI型甲烷水合物的熔点随着受限空间距离的增加而增大,而与体相甲烷水合物相比,在受限空间内的水合物生长条件更加苛刻。与此同时,也比较了不同层间阴离子(NO3-、Cl-)存在和没有层间阴离子时,SⅠ型甲烷水合物的生长条件,结果表明阴离子对SⅠ型甲烷水合物的熔点影响较小。2、由于在自然界中,天然气并不是单纯的甲烷气体,其中混有大量的丙烷和其他高分子量的烷烃,这些烷烃的存在对水合物的形成和结构会有重要影响。我们采用了经典分子动力学和从头算分子动力学(ab initio molecular dynamics)模拟相结合的方法,从动力学和热力学两个方面研究了 SⅠ型、SⅡ型天然气水合物在CH4、C3H8混合气体存在的情况下的生长行为和物理化学性质。我们采用从头算分子动力学方法计算了 CH4和C3H8在SⅠ型和SⅡ型天然气水合物的大小水笼中的结合能,发现甲烷客体分子在水合物的小水笼中具有较高稳定性,而丙烷分子在大水笼中稳定性更高;接着我们采用了经典分子动力学模拟,利用两相共存模型研究了不同浓度的气体混合物对SⅠ、SⅡ型天然气水合物生长速率和熔点的影响。结果表明C3H8的存在对SⅡ型水合物生长速率和熔点的影响很小,但是明显抑制了 SⅠ型水合物的生长速率,使得其熔点下降很多。我们利用全原子化的分子动力学模拟方法,揭示了受限情况下和混合气体氛围下,天然气水合物的热力学稳定性、生长动力学、和相平衡点。并提出了控制受限合成水合物以及SⅠ和SⅡ型水合物的机制,为进一步的实验研究提供了重要的理论支持。总之,天然气水合物的生长过程是一种非常复杂而重要的过程,本论文主要研究其生长过程和各种性质,并实现了在分子尺度上了解其微观机理。