不同水分子模型凝结系数的分子动力学模拟对比研究

采用平衡分子动力学（EMD）方法模拟研究了水的凝结过程，用“特征时间法”统计得到4个不同温度下5种不同水分子模型（SPC、SPCE、TIP3P、TIP4P和TIP5P）的凝结系数．模拟结果表明，不同模型得到的凝结系数都随温度的升高而减小．在相同温度下，凝结系数的统计结果表明：当温度高于400K时，凝结系数按SPCE、TIP4P、TIP3P、SPC、TIP5P模型呈递减趋势，并且TIP4P和TIP3P模型的凝结系数相近；当温度低于400K时，5种模型凝结系数的统计结果相差不大．发现TIP5P模型在温度约高于520K时得不到明显的汽液两相区，无法统计高温下水的凝结系数．     

过冷态水表面性质的分子动力学研究

采用SPC/E 和TIP4P 两种势函数, 分子动力学模拟了228~293 K 温度范围内水的表面性质. 模拟结果表明, 表面张力随温度的降低而增大. 当温度低于273 K 时, 表面张力的温度系数开始缓慢升高, 但在228 K 附近没有观察到类似某些体热力学参量的奇异发散行为, 这与实验结果相一致. 与实验测量值比较, SPC/E 势函数的模拟结果符合较好, 而TIP4P势低估了表面张力. 造成这种差异的主要原因可能是SPC/E 势较好地描述了过冷态水的表面结构. 在表面水分子的方向分布模拟中, SPC/E 势下的水分子表现出更强的方向有序性, 而且表面势也比TIP4P 势下的相应值高.     

不同水模型的甲醇水混合溶液的扩散性质

本文对不同水模型的甲醇水混合溶液的扩散性质做了研究,模拟所得结果与文献值很接近。甲醇的扩散系数随甲醇质量浓度增加而增大,TIP3P、TIP4P,TIP5P水的扩散系数随甲肆浓度增加而减小,采用TIP4P和TIP5P水模型所得结果与实验值更为接近,TIP3P水模型扩散系数较实验值精有偏低。     

低温下碳纤维混凝土电热效应实验

为研究碳纤维混凝土在低温下导电发热性能,测试低温下碳纤维混凝土的融雪化冰能力以及相互之间的关系,为冬季公路或机场的融雪化冰工程奠定基础。采用模拟的方法进行实验研究,分别研究了低温下碳纤维混凝土的发热规律、3 mm冰层覆盖情况下的融雪能力、外界温度与除冰时间关系、电热功率与除冰时间关系。结果表明:在-25℃情况下,2%碳纤维含量的碳纤维混凝土在36 V交流电压的作用下80 min左右温度达到0℃,且随着时间的推移,温度上升速率不断增加;在3 mm冰层覆盖下,通电80 min时冰层开始融化,120 min时冰层基本融化完,说明在"中雪"情况下,通电120 min就能保证"旧雪"完全融化完毕;随着电热功率的增加,碳纤维导电混凝土的融雪能力也不断增强,根据实验数据可以得出碳纤维导电混凝土的最经济导电功率为500~700 W/m2.低温时,不同温度情况下,随着温度的变化,融雪化冰时间也随之变化,随着温度的"上升",融雪化冰时间几乎成直线下降,外界温度越接近0℃,融雪化冰时间越短。在-5℃情况下,碳纤维混凝土温度上升到0℃只需要46 min.     

材料在烧蚀时的温度分布函数——恒温移动边界问题的一种处理方法

烧蚀材料在稳态烧蚀时,一般来说,材料表面一直处于相变温度(熔点或汽化点)。因此,这种状态下的传热问题是属于恒温移动边界传热问题。本文对一维恒温移动边界问题采用动坐标变换的方法,求出了材料在烧蚀时的温度分布函数,并对其结果进行了讨论。     

白蛋白和石墨烯的结构及其相互作用的分子动力学模拟

采用分子动力学模拟的方法分析研究了白蛋白与石墨烯表面的相互作用.分子模拟过程采用Gromacs软件进行运算及数据采集分析,并采用VMD软件实现结构的可视化.首先,建立周期边界条件,在边长为9 nm的有限空间中采用恒温恒压系综,对ffgmx力场条件下的白蛋白原始真空构象进行优化,使其在水相中达到平衡态.然后,以水相中得到的稳定的白蛋白作为模型,构建与石墨烯相互作用的总体构象及界面.最后,在周期性边界条件下,经过500 ps的动态过程,完成了白蛋白在石墨烯表面的吸附.对能量、残基轨迹、扭转角等数据进行分析总结,确定了白蛋白在石墨烯表面的吸附位点为白蛋白序列中90~97号肽段90ALA-91GLY-92ILE-93THR-94SER-95ASP-96PHE-97TYR.     

鱼类Ⅱ型抗冻蛋白-冰-水复合体系的理论模拟研究

对鱼类Ⅱ型抗冻蛋白冰晶组成的复合体系在真空条件下进行理论模拟计算的基础上,构建出鱼类Ⅱ型抗冻蛋白冰溶剂(水)的三元复合体系.经过350 ps的动态模拟,研究了溶剂化效应对蛋白冰相互作用体系的影响.通过分子力学及半经验量子力学的计算,进一步研究蛋白与冰晶的相互作用性质,结果表明溶剂化效应具有不容被忽视的重要作用.     

热流固耦合作用冻土路基变形规律研究

为揭示季节性冻土路基温度场、应力场和夏季降雨与冰晶融化所产生的渗流场,三场耦合引起的冻土路基变形与破坏.根据热流固三场耦合理论,提出了考虑相变的温度场、渗流场和变形场耦合的数学力学模型,体现了冻土路基中固体骨架、水、冰三相介质的水、热、力耦合作用;在数值模拟分析中,将路基仅受温度载荷与温度和车辆荷载共同作用进行了比较,得出冻土路基的变化规律,其研究结果对冻土路基的施工和维护有一定指导意义.     

NPT系综下应用ABEEM-7P水分子模型的动力学模拟

应用ABEEM‐7P水分子模型，对含有216个水分子的液态水体系，采用周期性边界条件，在NVT 和NPT 系综下进行分子动力学模拟，研究了不同的NVT、NPT 系综运行时间和压力弛豫时间，对分子动力学模拟的影响．通过分析，发现NVT系综运行时间为500 ps时，模拟的动力学性质同实验值偏差较小且计算速度较快，而当τT ＝0．01 ps时，τP较大或较小时动力学性质偏差较大．因此，216个水分子动力学模拟时τP 选为0．05～5 ps ．应用以上研究结果，分析了NPT 系综下260～310 K温度范围内，相同的τT 不同的τP 下，NPT系综的动力学性质以及某些性质与温度的依赖关系．分析显示，216个水分子动力学模拟得到的性质是合理的，为以后更深入精细研究水分子体系提供参考．     

水-超临界二氧化碳界面的分子动力学模拟

运用分子动力学模拟方法研究20 MPa, 318.15 K条件下水超临界二氧化碳界面的微观结构及其自扩散性质,模拟采用TIP3P (transferable intermolecular potentials 3P)水分子模型和EPM2 (elementary physical model 2)二氧化碳分子势能模型.研究结果表明:水相和二氧化碳相形成明显的界面,界面层的分子有特定的取向;自扩散表现出明显的各向异性特点,并且在界面层二氧化碳与水的扩散趋于一致.     

架空输电线路覆冰和融冰仿真研究

为了辅助运行人员在冬季不同气象条件下对输电线路的覆冰危害进行定量分析,以及合理选择直流融冰电流和融冰时间,对架空线路的覆冰和融冰仿真软件进行了研究,提出了一种便于使用的考虑导线所处微地形环境和风向等综合因素的覆冰增长计算方法,并分析了覆冰仿真软件程序框图;利用载流导线的热平衡方程,选择导线最高允许运行温度为70℃,计算了导线的最大融冰电流并对计算误差进行了分析;利用覆冰导线表面冰融化时的热平衡方程,分析了覆冰导线融冰时间的计算方法,并分析了融冰仿真软件的程序框图。     

具有2个长度尺度的量子临界现象

正相变和临界现象是一种普遍存在的物理现象,它既发生于人们的日常生活中(例如冰融化成水),又是产生新奇物态的普遍机制(例如高温超导体的形成).通常的相变由热涨落驱动,也称经典相变.量子相变则发生在绝对零温,在外参数变化时由量子涨落驱动.建立在对称性破缺,序参量涨落和重整化群基础上的朗道-金兹堡-威尔逊理论(Landau-Ginzburg-Wilson,LGW)成功解释了经典相变.而通常的量子相变,也可     

基于差示扫描量热法的冻土冻融过程未冻水含量计算模型

通过差式扫描量热法(differential scanning calorimetry,DSC)试验,研究不同初始含水率下黏土在冻融过程中未冻水含量与温度的关系,将融化和冻结过程中冻土未冻水含量的特征点作为参数,建立黏土未冻水含量与温度关系半经验模型,并分析初始含水率对参数的影响。结果表明:模型计算值与试验值吻合较好;初始含水率对黏土冻结时的过冷温度影响较小;完全融化温度随初始含水率增大略有上升;不同初始含水率的相同土质的未冻水含量在同一温度点的变化较小。     

运行状态下超大型冷却塔内表面风荷载的数值模拟研究

对运行状态下的某超大型双曲冷却塔的内表面平均风压进行了CFD数值模拟.在计算流体动力学软件基础上进行二次开发,采用DPM模型结合UDF函数方法加入源项来研究某超大型冷却塔内表面平均风压分布;塔中水相采用了拉格朗日方法模拟,而空气相采用欧拉方法模拟,较好地实现了冷却塔运行状态下的内外流场计算及其与传热传质的耦合计算,分析了运行状态下冷却塔横风向来流时的内压分布规律.无侧风工况下计算结果显示,塔运行过程中的内表面压力对称性良好,出水温度与实测结果相符,验证了本文提出的塔运行过程中的传热传质计算方法的正确性.侧风工况下得到塔内压力系数沿高度方向相应变大,而沿纬向变化不明显.同时讨论了中国规范对内表面压力系数的取值不完善之处,给出了建议取值,为超大型冷却塔设计过程中的内压计算提供方法和依据.     

Ni3Al合金熔点与比热的分子动力学模拟

采用嵌入原子法对深过冷条件下Ni3Al合金的熔点和比热进行了分子动力学模拟. 熔点的模拟分别采用三明治夹层结构法和NVE系综法, 两种方法获得的熔点比较一致, 但均略高于实验值, 这可能是由于实验中熔点的测量受到普遍存在的表面熔化现象影响的结果. 模拟获得的比热在800~2000 K 范围内随着温度的升高缓慢线性减小.     

退禁闭相变和孤子性质的研究

研究有限温度密度下的FL模型,通过温度场论的标准方法,得到有限温度密度下的有效势.在FL模型中,重子内部亚稳态真空与外部物理真空有效势相等时退禁闭相变发生.据此在有限温度密度下进行计算,得到FL模型中的退禁闭相图.研究发现,该模型在强子相一直有稳定的孤子解,发生退禁闭相变后孤子解消失,孤子的变化与退禁闭相变的物理图像一致.     

黑龙江红旗泡水库冰生长过程现场观测数据的剖析

为了认识水库冰生长过程和冰对水库护坡的影响,于2008年12月中旬至2009年4月中旬在黑龙江红旗泡水库进行了冰面基本气象要素及冰内和水内温度测量、冰生长过程测量以及冰物理性质的观测,获得了水库淡水冰表面总辐射、反射、气温以及冰内晶体、气泡、密度、温度和冰厚度、水温等系列数据,并综合分析了每10 m in自动记录的气象水文要素和冰生长数据。分析结果表明：近冰面冰温同冰面总辐射呈现相同的变化趋势,但每日近表面冰温与气温比值峰值发生时间比辐射峰值发生时间滞后1.4 h;积雪影响冰厚度在水库内的一致性,但总体满足热力学生长规律;冰下水温在冰融化期间快速升高。     

单向冻结条件下兰州地区黄土的温度场变化规律

为研究不同含水率黄土在单向冻结融化过程中温度场的变化规律,选取兰州地区黄土进行了封闭系统下的单向冻结融化试验。研究了在单向冻结过程中土体温度的变化规律,给出了土体温度的变化曲线。研究结果表明:土体的降温过程分为三个阶段,降温冻结初期各深度处土体温度的下降速率较快;土体温度下降至-0.4℃时降温曲线出现转折点,土层各深度降温曲线出现近乎平行于横坐标的平稳段;冻结后期各深度处土体的温度下降速率相对较慢。对比分析了模型试验中不同深度处各点温度的实测值与数值模拟值,结果表明:数值模拟的各点温度曲线与实测温度曲线变化规律基本一致,冻结阶段模拟的降温速度稍大于实测降温速度,融化阶段则相反。研究结果可为冻土地区工程建设提供参考。     

冬季海水养殖水域环境因子的变化对养殖海参的影响

2016年和2017年两个结冰期内对渤海某海水人工养殖池塘冰厚度的变化和冰盖下水体的温度、盐度、p H和溶解氧进行连续观测。冰厚采用超声测距仪定时测量,冰温、水温、盐度、溶解氧和p H分层观测。研究发现,盐度的变化与冰的生长密切相关,而冰厚度的变化主要受气温的控制,p H和溶解氧的变化与水温和光合作用相关,冰融化时p H和溶解氧变化浮动较大,冰融水起到了稀释作用,溶解氧浓度降低。可见,气温影响冰厚和水温,进而间接影响了盐度、p H和溶解氧。观测的养殖池塘水体溶氧含量一直大于8 mg·L-1,没有出现缺氧的情况。p H范围在7. 7～9. 0之间,没有出现异常。养殖池塘内的海参对盐度的耐受范围是20～35,而其栖息的水体底层的盐度,主要是在29. 022 7～34. 028 6间,仅当冰融化时,盐度最低值降到21. 074 8,但在之后再3～5 d内上升至29,可见,盐度的变化是在其可承受范围内。综上分析,温度是决定冬季海水养殖生物存活率的限制因素。     

快速凝固Al-Cu钎料钎焊铝Cu对钎缝组织的影响

研究了快速凝固钎料中Cu元素在铝合金基体中的扩散现象和机制.采用快速凝固的方法制备出了Al-Cu合金的薄带,用差热分析法(DTA)测量了钎料熔点.根据熔点利用真空钎焊用Al-Cu钎料焊接纯铝,然后使用扫描电镜和能谱分析仪分析了焊缝的显微组织,对Cu元素的扩散现象进行观察,并分析了Cu的扩散行为.实验结果表明,由于快冷钎料组织均匀,表面能高,因此熔点比普通钎料低,且熔化区间窄.随着钎焊温度的升高和保温时间的延长,Cu的扩散效果越来越好;在同一温度下钎焊时,快冷钎料中Cu的扩散能力明显强于普通钎料.