MD 模拟研究带静电ACF 对甲醇的吸附

为了探索静电荷在极性分子的物理吸附过程中的控制作用, 对甲醇在带静电荷的活性炭纤维(ACF)纳米孔中的吸/脱附情况进行了分子动力学(MD)模拟研究. 在引入静电荷的中孔ACF/甲醇吸附系统中, 从模拟结果可以观测到孔内的甲醇分子扩散到吸附位的时间缩短、吸附冷凝的准液态甲醇密度增大、甲醇分子的空间排列有取向性、达到吸附平衡时系统能量显著降低等特殊现象, 表明了静电荷增强了中孔ACF 对甲醇分子的吸附作用, 使吸附强度、稳定性和有序性有所提高, 能够提高吸附容量和加快吸附速率. 系统达到吸附平衡后再消除静电荷, 升温至60℃左右进行模拟, 可以观察到比较明显的脱附趋势.     

页岩纳米孔吸附气表面扩散机理和数学模型

页岩富含纳米孔,且吸附气占总气量可高达85%,因此页岩气表面扩散对气体传输具有重要的作用.页岩气藏压力高,页岩表面能量非均质性强,吸附气非等温解吸附等,均加剧了吸附气表面扩散模拟的复杂性.基于低压条件下推导的Hwang模型,考虑高压条件下吸附气覆盖度的影响,建立了页岩吸附气表面扩散模型.同时,该模型还考虑了页岩表面能量非均质性、等量吸附热和非等温解吸附对表面扩散的影响.研究表明:1)表面扩散系数随压力的增大而增大,随温度的升高而增大,随表面活化能的减小而增大,随气体分子量的减小而增大;2)黏性流动、努森扩散和表面扩散对气体传输的贡献是此消彼长的,主要受孔隙尺度和压力的控制;3)表面扩散在微孔(半径2 nm)中,对气体传输贡献大,可高达92.95%;在宏孔(半径50 nm)中,贡献低于4.39%,可忽略;在介孔(2半径50 nm)中,表面扩散的贡献介于微孔和宏孔之间.     

纳米晶体钒热稳定性的分子动力学模拟

用分子动力学技术, 结合分析型嵌入原子方法模拟计算了平均晶粒尺寸为2.86~7.50 nm的纳米晶体钒的微观结构及其热稳定性. 用原子键对分析技术区分了晶粒与晶界原子, 发现晶界原子所占的比例随晶粒尺寸的减小明显提高, 晶体中原子的平均能量要较普通单晶的高. 从原子平均势能、晶界原子比率以及径向分布函数随温度的变化关系得出纳米晶体钒的热稳定温度, 发现随晶粒尺寸的减小纳米晶体钒的热稳定温度明显降低. 最后还讨论了引起这种热稳定温度降低的原因.     

低Mach数反应流动的格子Boltzmann模型

提出了一种新的易实现的耦合格子Boltzmann(CLB)模型来模拟密度可以有很大变动的低Mach数反应流动. 不同于文献中已有的用于模拟低Mach数反应流动的格子-有限差分混合格式(HLB)和非耦合的格子Boltzmann(NCLB)模型, 模型仅借助格子Boltzmann方法, 并且动量方程、能量方程与组分方程通过密度与温度间的关系耦合. 使用该模型对丙烷预混对冲火焰进行了模拟.     

不可逆热容热电转换装置性能的优化分析

基于超级电容的古伊-查普曼-斯特恩(CGS)双电层模型,本文建立一类不可逆热容热电转换装置循环的新模型.应用热力学理论和系统的能量平衡方程,导出该热容循环的回热量、输出功率和能量效率的表达式.通过数值计算,揭示热容循环的一般性能特性,分析循环的电量比、充电截止电压、回热过程的时间、双层距离、电解液浓度等重要性能参数对热容热电转换系统优化性能的影响.对于一些给定的参数,确定系统运行于最大功率下循环的电量比、双层距离、充放电过程的温度的优化值,给出循环的一些重要性能参数的优化范围.结果表明,为了获得循环的最优性能,采用CGS模型除了对充放电过程的温度和循环的电量比进行优化外,还可对电容的多孔电极的孔径进行优化,当充电截止电压为2 V时,优化的最大功率密度约为4.9 kW/m~2,相应的效率可达18.5%.本文所获得的结果可为实际热容热电转换装置优化设计和运行提供理论依据.     

超晶格纳米线热传导的分子动力学模拟

采用非平衡态分子动力学方法模拟了超晶格纳米线的几何形变与热传导性能. 模拟结果显示, 由于界面晶格不匹配, 在超晶格纳米线内部发生了明显的几何形变. 对于周期长度固定的超晶格纳米线, 界面热阻在总热阻中的比例及导热系数不随周期数改变而改变. 随着周期长度的增大, 超晶格纳米线的几何形变量逐渐减小, 导致平均界面热阻逐渐增大, 表明界面热阻不仅取决于界面层的材料特性, 同时也与超晶格结构的几何形变量相关, 在声阻不匹配模型中应考虑纳米尺度下材料晶格结构的变化. 仿真结果还证实了尺度效应对低维结构热传导性能的影响, 即随着超晶格纳米线横截面面积的增大, 导热系数将增大.     

基于能量平衡与端元合成技术的地表热辐射场景动态模拟

地表热辐射场景动态变化模拟分析是热红外遥感领域研究热点之一.首先基于地表能量平衡方程和一维导热方程,建立地表温度二次谐波模型,模拟裸露地表温度日变化规律,并利用CUPID模型模拟植被冠层温度;其次利用高空间分辨率多光谱遥感影像的可见光-近红外光谱特征,提取植被、裸土、水体、不透水面等地物端元的覆盖比例及分布;最后结合地表温度模拟结果和典型发射率波谱,基于端元能量线性混合的假设,模拟地表热红外辐射动态场景.结果表明,地表温度日变化模拟值与实测值吻合较好,标准偏差在2.7℃以内;模拟场景可展现出清晰的纹理细节和较强的遥感成像真实感,场景热辐射特征与地物类型及其空间分布、成像时刻、观测角度均有关联.     

尺寸依赖的界面能与界面应力

随着低维材料尺寸的减小,表面体积比急剧增加,界面能和界面应力对材料性能的影响显著增加。然而,目前人们对这些物理量,尤其是对其大小的尺寸效应的了解还很少。根据经典热力学理论,本文介绍了一系列无自由参数的、可模拟不同性质界面的块体和尺寸依赖的界面能以及相应的界面应力模型。已有的不同结合键类型的低维材料的实验和其它理论结果证实了模型的预测。     

钠层对重力波响应的模拟研究

把时变的非线性、可压缩动力学重力波模式、二维中高层大气光化学模式、二维钠层光化学模式以及国际参考电离层模式(IRI-95)相结合, 建立了钠层对重力波响应的二维时变模式. 模式中考虑了光化学反应产生的非绝热效应以及重力波对大气化学反应以及对化学成分输运的影响. 模式在水平方向利用拟谱方法, 对垂直方向和时间采用有限差分方法, 并利用FICE方法对模式求解. 给出了模式模拟的初步结果. 计算表明重力波的传播可造成钠层强烈的扰动, 改变钠层的分布, 其扰动传播的计算结果与观测相一致.     

不同价态无机磷在金属氧化物表面吸附的第一性原理研究

磷是控制水体富营养化的关键限制因子.目前主流的除磷技术处理正磷酸盐相对成熟,但次/亚磷酸盐的深度去除尚未引起充分关注.金属氧化物是一类常用的去除正磷酸盐的吸附剂,探究不同价态无机磷在金属氧化物表面吸附行为与机理具有重要研究意义.本文构建了晶型和无定形Fe_2O_3, ZrO_2, La_2O_3体相与基底模型,基于第一性原理,计算了次磷酸盐、亚磷酸盐、正磷酸盐在上述基底上的吸附构型及吸附能.结果表明,金属氧化物与次磷酸盐、亚磷酸盐、正磷酸盐主要生成M–O–P键(M为金属原子)和氢键(O-H).根据吸附能比较,正磷酸盐在金属氧化物表面主要为化学吸附,且吸附能普遍大于次/亚磷酸盐在相应基底的吸附能(0.7～6.3倍),表明正磷酸盐易被金属氧化物专属吸附,而次/亚磷酸盐吸附能较小,相对易受到共存离子竞争干扰.无定形金属氧化物对次/亚/正磷酸盐的吸附能力优于晶型金属氧化物(吸附能均值为3.1倍),三种金属氧化物吸附能力由弱到强的顺序为Fe_2O_3ZrO_2La_2O_3,次/亚/正磷酸盐在氧化镧基底上的吸附能为氧化铁/锆的2.0～47.5倍,表明了La与POx基团之间强烈的成键作用.本文可为深度除磷技术选择和开发提供参考.     

标准吸湿含水率对膨胀土进行分类的理论与实践

通过一系列膨胀土的物理、力学和化学性质试验, 发现膨胀土的标准吸湿含水率与膨胀土的蒙脱石含量、比表面积、阳离子交换量有良好的线性关系, 也与塑性指数和自由膨胀率有线性相关的趋势, 表明膨胀土的标准吸湿含水率具有明确的物理意义. 塑性指数能很好地反映粒度组成、分散特性和阳离子与黏土矿物的相互作用程度. 因此, 标准吸湿含水率能反映膨胀土的最基本的本质属性. 在一些文献分类成果的基础上, 考虑到对自由膨胀率分类成果的继承性, 提出了以标准吸湿含水率、塑性指数和自由膨胀率3个指标对膨胀土进行分类的方法, 其分类指标试验操作容易、设备简单、试验耗时短.     

超声处理减小SU-8胶层内应力的研究

目前,SU-8胶层中过大的内应力,已经成为制约SU-8胶结构稳定性和实现更高深宽比的瓶颈问题之一.然而,已有的研究工作都集中在工艺参数的优化和掩模板的设计上,而且无法推广使用.本文旨在利用超声时效技术减小SU-8胶层中的内应力.讨论了利用超声时效技术减小SU-8胶层中内应力的机理.以改进的Stoney公式为基础,建立了轮廓法测量SU-8胶层内应力的计算模型.实验研究了超声时效技术在减小SU-8胶层中内应力方面的作用.讨论了工作台振幅、输入功率和时效时间等重要参数对超声时效效果的影响,并且对比分析了超声时效实验前、后SU-8胶层中的内应力值.研究结果表明,选择合适的实验参数,超声时效技术可以有效地减小SU-8胶层中的内应力,该技术在非金属应力去除方面具有一定的实用价值.     

铁路钢板结合梁桥约束阻尼层减振降噪分析

约束阻尼层通过剪切变形耗散振动能量,能在较宽的频率范围内达到减振降噪的目的.本文基于模态应变能法,车-线-桥耦合振动和统计能量分析,提出了约束阻尼层铁路结合梁桥的振动与噪声理论计算模型.对某(32+40+32) m连续板梁钢-混结合梁桥敷设约束阻尼层后的振动与噪声进行了仿真分析和现场测试.分析结果表明:敷设约束阻尼层后该桥振动与噪声理论计算与现场实测结果吻合良好,本文提出的约束阻尼桥梁振动与噪声计算方法可行;全桥在钢梁的腹板敷设约束阻尼层328.23 m~2后,振动加速度在整个分析频段内都得到了有效的降低,腹板和下翼缘振动加速度级分别降低8.1和4.4 dB;场点S1和S2噪声值分别降低4.2 dB(A)和4.3 dB(A);阻尼层剪切模量和厚度存在一个最优值;当约束层厚度过大时,低频段的降噪能力逐步退化.     

fcc金属(001)表面吸附二聚物自扩散的分子动力学模拟

采用基于原子嵌入方法的模型势, 通过静态计算和分子动力学方法系统地研究了fcc金属(001)表面吸附二聚物的自扩散现象, 除了一般的交换机制和跳跃机制外, 还观察到了一些新的扩散机制, 例如: 复杂(旋转)交换、协同跳跃及协同交换机制等. 在此基础上讨论了不同金属表面吸附二聚物自扩散的特点, 不同的金属表面不仅主导的扩散机制不同, 而且交换机制的机理也不同.     

重力波波包在临界层附近的传播

应用二维可压大气线性与全非线性数值模型, 模拟了重力波波包在临界层附近的传播. 对线性传播的波包来说, 临界层相互作用与线性理论描述非常一致. 大初始振幅尽管会使对流不稳定条件在传播过程中得到满足, 但波包并不会因此变得不稳定. 在无风背景中, 重力波波包的位能和动能可以自由转化. 在进入切变风场后, 在线性传播中这种转化将立即停止; 而非线性传播过程中该转化仍将继续. 非线性作用显著改变了背景平均流, 减小了波包的动量和能量传输速度, 降低了临界层高度; 并使得波包的部分区域变得不稳定, 破碎成更小尺度运动. 波破碎首先消耗动能. 在破碎发展到一定程度后, 位能也开始损耗. 这表明, 是剪切不稳定首先导致了波破碎的发生.     

不同大气稳定度下绿化街谷流动的大涡模拟

耦合大涡模拟与植被阻力、热源项模型, 提出了城市灌木绿化街谷内风场和污染物浓度分布的热、动力数学模型. 首先利用均匀植被层边界层湍流算例考核了模型的合理性以及程序的稳定性, 表明本文模型能较好模拟植被层内部速度分布, 并能对温度变化做出正确响应. 对形状因子为0.5 的理想绿化街谷, 研究了街谷大气不同稳定度对街谷内风场和污染物浓度分布的影响. 结果表明, 相比于裸露街谷, 植被层的引入减弱了街谷内环流风场强度, 同时减小了街谷顶部污染物置换速率(pollutant exchange rate, PER), 导致绿化街谷地面、背风面和迎风面附近污染物浓度增加. 对于街谷大气稳定度对绿化街谷内风场和污染物浓度分布的影响, 街谷大气强不稳定情形下, 街谷顶部、地面、背风面和迎风面附近, 风速比街谷大气中性层结时明显降低, 污染物浓度相应增加; 街谷大气弱不稳定情形下, 街谷顶部和迎风面附近, 风速有轻微减弱, 同时, 街谷地面和背风面附近, 风速有加强趋势, 导致绿化街谷内污染物浓度在迎风面和背风面比中性层结时减小, 而在两排植被层之间有所加强. 关于街谷大气稳定度对街谷顶部PER 的影响, 街谷大气弱不稳定情形街谷顶部PER 要比街谷大气中性层结时小, 而街谷大气强不稳定情形街谷顶部PER 最小.     

多层电路板的深层充电研究

以欧空局的FLUMIC2模型为输入电子能谱,基于Monte Carlo方法和辐射诱导电导率模型进行多层电路板充电分析,可模拟地球同步轨道上有2 mm铝层屏蔽时的多层FR4印刷电路板的深层充电过程,得到电场和电势随介质深度的变化.研究发现与双面接地电路板相比较,电路板四层铺铜接地内部最大充电电场减少54%,有效地减小介质内部电场,降低深层放电风险.充电时间常数和电介质的物理特性有关而与电路板分层情况无关.分析各接地层的电流,两层电路板为90~150 p A m?2,四层电路板为10~100 p A m?2.     

圆片级感应局部加热封装研究

提出一种MEMS高频电磁局部感应加热封装的方法, 并将其应用于圆片级感应局部加热封装. 为达到MEMS圆片级封装键合, 通过数值模拟和实验研究, 首先设计与优化感应器的结构, 其次验证PCB板在感应器内的加热情况, 初步实现了MEMS在均匀磁场中的均匀局部感应加热封装. 结果表明: 采用局部感应加热封装, 可有效降低封装过程中热对芯片的影响,可大大减小芯片的热应力, 有效提高MEMS器件的寿命.     

局部热载荷诱导热障涂层界面分层断裂问题

以激光辐照对热障涂层面层进行局部加热, 模拟超燃冲压发动机燃烧室热障涂层服役的高热流、高温度梯度载荷环境, 研究热障涂层的可能破坏模式. 首先给出了YAG 激光局部加热试验方法、过程和界面破坏的典型形貌; 然后, 基于理论分析与有限元模型化研究, 计算了表面局部受热时热障涂层体系的温度场、变形场和应力场, 分析了热障涂层破坏的力学机制. 研究结果表明, 在这种局部迅速加热的载荷条件下, 热障涂层将由于陶瓷层-粘接层的界面分层断裂而失效. 参数化模型研究发现热障涂层体系的关键结构参量、性能匹配对界面分层断裂驱动力具有显著影响且存在优化区间.     

ICP-MS测定水中16种元素

建立电感耦合等离子体质谱法测定生活饮用水中16种元素的方法.以Sc、Ge、In、Bi做内标,采用电感耦合等离子体质谱法(ICP-MS)测定水中16元素,即钾、钠、钙、镁、铁、锰、铜、锌、铬、铅、镉、钡、钼、镍、铝、砷.对检出限、线性范围、精密度、加标回收等方法学指标进行了研究.测定结果表明,该方法的线性范围宽,线性相关系数(r)均大于0.999,各元素的相对标准偏差(RSD%)均小于5.0%,各元素的加标回收率均在87.6～119.0%之间.测定了GSBZ-5009-88,GSB07-1375-2001,GSBZ50019-90的标准参考物,测定值均在标准范围内.实验结果表明:该方法简便、快速、灵敏、准确,适用于饮用水、水源水中16种元素的同时测定.