小分子气体在烯烃共聚膜中扩散行为的分子动力学研究

采用分子动力学模拟方法,研究了小分子气体(氧气分子和氢气分子)在烯烃共聚物乙烯/1-己烯膜中的扩散性能。主要探讨了分子主链结构中共聚物单体的比例,以及气体分子大小对扩散系数和自由体积的影响。模拟过程中采用Compass力场,对共聚物模拟体系进行NPT系综动力学优化,计算得到其密度,并与实验值进行对比,使模拟体系接近于真实体系;随后进行NVT模拟,得到500ps时间的小分子运动轨迹,由爱因斯坦方程计算出气体分子在烯烃共聚物中的扩散系数,并与文献报道的实验数据进行对比。结果表明,随着共聚物中1-己烯含量的增加,氧分子和氢分子的扩散系数也呈增大趋势,与共聚物中分子间相互作用力的变化分析一致。说明分子动力学模拟方法是一个有效计算、预测小分子在不同比例烯烃共聚物中计算扩散系数的方法。     

碳纳米管储氢性能及H2分子扩散现象的分子动力学研究

本文采用Brenner及LJ混合势对H2在C纳米管的吸附及H2分子在C纳米管中的扩散性质进行了分子动力学模拟. 通过模拟轨迹的分析,分别计算了C-H之间的径向分布函数、H2分子在单壁C纳米管的均方位移及通过对H2分子的均方位移的分析,计算了不同温度下的H2分子在C纳米管中的扩散系数,分析了温度对扩散系数的影响.     

气体分子扩散的蒙特卡罗模拟

使用蒙特卡罗方法,对气体分子在背景气体中扩散的过程进行了计算机模拟,背景气体均匀分布于三维无界空间中。模拟结果显示,气体分子的扩散是各向同性的,扩散经历的时间越长,分子分布的范围越大,分子扩散的方均位移与时间成正比关系。使用本文的模拟方法还可估算气体扩散系数的数量级,对1标准大气压下、15°C时氧气的自扩散系数,以及氧气在氮气中的互扩散系数进行了估算,得到的扩散系数数量级与实验测量结果符合得很好。     

较宽压力范围内甲烷水合物的分子动力学模拟

利用GROMACS程序对0.1 MPa至30 MPa较宽压力范围内甲烷水合物体系进行分子动力学模拟.观察不同时刻甲烷水合物体系的分子分布状况,统计氢键数、径向分布函数、配位数等结构性质以及甲烷、水分子的扩散系数.结果表明甲烷水合物中水分子之间形成强大的氢键网络将甲烷包围并挤压,出现明显分相现象,导致压力对甲烷水合物中甲烷和水的局部结构和扩散系数的影响不同,并且甲烷水合物中甲烷的局部结构和扩散系数与纯甲烷体系差异很大.     

分子模拟技术在乳化沥青研究中的应用

利用分子模拟技术对乳化沥青的乳化和稳定机制进行研究。选用结构不同的基质沥青,基于改进的B-L法,构建三维无定型平均结构;利用分子模拟软件构建水/乳化剂/沥青体系进行分子动力学模拟;通过界面形成能、界面层厚度、扩散系数等参数研究沥青与乳化剂相互作用对油水界面性质的影响。结果表明:分子模拟技术能够有效表征乳化沥青乳化和稳定机制;随着乳化剂用量的增加,界面形成能增大、界面层厚度增加、分子扩散系数变小,乳化剂单层膜的稳定性增加,降低油水界面张力的能力增强;对于不同的沥青体系,具有高芳碳率、高环烷碳率、高芳香环缩合度、低烷基碳率的沥青与乳化剂的相互作用越强,界面形成能绝对值越大、界面层厚度越大、扩散系数越小,乳化剂降低沥青/水界面能量的能力越强。     

气体在玻璃中渗透的数值模拟

为深入理解环境气体对超高真空电子器件玻璃壳体材料的渗透机理,采用巨正则蒙特卡罗法和分子动力学法对玻璃中的气体溶解、扩散两种渗透行为进行了数值模拟研究,基于原子模拟凝聚相优化分子势力场,计算了两种玻璃结构中氧气、氦气、氢气和水蒸气分子的溶解系数,以及氧气和氢气分子在钠钙玻璃中的扩散、渗透系数和扩散运动轨迹。计算结果表明:与玻璃材料亲和力较大的气体分子溶解系数较高;玻璃中金属离子的存在使玻璃中的孔径变小,从而降低了钠钙玻璃中气体分子的溶解系数;环境温度升高和气体压强增加使气体分子在玻璃中的扩散、渗透系数增加;在扩散过程的大部分时间中,气体分子在某一位置做往复振动,偶尔发生一次跳跃,这导致气体分子逐渐远离初始位置;因为玻璃材料能给体积较小的气体分子提供更多的有效扩散通道,所以H_2比O_2有较高的扩散系数。研究结果可为超高真空电子器件的真空失效机制探究、玻璃壳体的材料优选和结构优化提供一定的理论依据。     

水分在泡沫温拌沥青中的分子动力学研究

为考察水分对泡沫温拌沥青的微观作用,选择具有代表性的沥青四组分分子结构,采用分子动力学模拟方法,研究了含水率分别为0、1%、2%、3%的基质沥青和泡沫温拌沥青体系玻璃化转变温度、自由体积分数、水分子的扩散系数;同时,也模拟分析了水分子与沥青分子之间的相互作用能.研究表明,与基质沥青相比,水分的添加使得泡沫温拌沥青的玻璃化转变温度下降,不同含水率的泡沫温拌沥青体系自由体积分数差距较小.同时,在泡沫温拌沥青中,随着含水率的增加水分子在泡沫温拌沥青中的扩散系数不断增大,当含水率为3%时,水分子在泡沫温拌沥青中的扩散系数上升得较为明显.水分子与沥青分子进行相互作用过程中,水分子与沥青之间存在着排斥作用,泡沫温拌沥青体系不稳定.此外,通过对泡沫温拌沥青体系的非键相互作用能分析得出,水分子与沥青分子之间静电力起主导作用,且随着体系含水率的增加而增大.     

生物大分子的分子动力学模拟过程在百万亿次集群上的部署优化

分子动力学模拟作为研究生物大分子功能和性质的新工具,已广泛应用于蛋白质和核酸等物质的分子动态学行为研究,但目前常规分子动力学模拟时间尺度较小,不能达到生物大分子分子动态行为的有效取样范围。温度副本交换分子动力学可同时运行多个独立模拟,明显提高模拟时间的可及尺度,但需要千核以至万核的计算资源,目前已发表的相关文献其模拟体系使用的计算资源均较小。本文利用国家超算济南中心的神威4000A百万亿次集群,首先进行单副本的分子动力学模拟,然后利用外切纤维素酶催化结构域的模拟体系(约5万原子)进行多达128个温度副本的分子动力学模拟,一次模拟任务最多成功利用6 720个CPU核心同时进行计算,最高总运算速度累计达到2 274 ns/d,这为分子动力学模拟利用上万核心进行计算提供了新的思路。     

氩气热力学参数和输运系数的分子动力学模拟

运用一维分子动力学模拟的方法计算了由氩气分子组成系统的热力学参数和输运系数，并与相应的三维分子动力学模拟的结果及实验数据进行了比较，发现运用一维分子动力学模拟能够得到比较接近宏观真实系统的某些物理性质，并减少计算时间。该方法能够模拟计算分子数目更多的系统。因此，对所研究系统的某些物理性质来说，一维分子动力学模拟是一种有效的分子模拟方法。     

醇在水中的无限稀释扩散系数的分子动力学模拟

采用分子动力学(MD)模拟研究了0.1 MPa、298~318 K条件下甲醇、乙醇、1-丙醇在水中的无限稀释扩散系数(D12),并通过径向分布函数、配位数、平均氢键数的计算,分析了二元流体的微观结构和分子间的相互作用。结果表明,模拟所得的无限稀释扩散系数与实验值符合。另外,随着温度升高,径向分布函数的峰高、醇分子与水分子之间的配位数以及醇-水的平均氢键数均减小,表明在较高温度下醇分子周围堆积的水分子数减少,醇分子和水分子之间的相互作用力降低,因而使扩散系数增大,这些结果从微观角度解释了扩散系数的变化规律。     

分子模拟研究小分子在聚硅氧烷中扩散行为

采用分子动力学(MD)法,在298 K的温度下,对H2,He,O2,N2,CO2,CH4,H2O以及ethanol在聚二甲基硅氧烷(PDMS),聚丙基甲基硅氧烷(PPMS),聚辛基甲基硅氧烷(POMS)以及聚苯基甲基硅氧烷(PPhMS)4种聚硅氧烷体系中的扩散进行模拟.选用对凝聚态的结构和性质描述更为准确的COMPASS分子力场模型.体系进行能量优化后得到的密度和玻璃化温度的计算值和实验值的对比表明模拟体系接近于真实体系.随后进行分子动力学模拟得到小分子的运动轨迹,对小分子扩散的两种方式进行了讨论,探讨了侧链对扩散过程的影响.     

模型溶液的分子动力学模拟及扩散系数计算

通过对模型溶液的分子动力学模拟，确定了这些溶液的径向分布函数，自扩散系数Ｄ１、Ｄ２和互扩散系数Ｄ１２。结果表明，用Ｅｉｎｓｔｅｉｎ法和Ｇｒｅｅｎ－Ｋｕｂｏ法得到的扩散系数在数值上是一致的；溶液互扩散系数Ｄ１２与自扩散系数Ｄ１和Ｄ２满足关系式Ｄ１２＝ｘ１Ｄ１＋ｘ２Ｄ２。     

页岩气藏运移机制及数值模拟

基于双重连续介质,采用尘气模型(DGM)建立基岩和裂缝运动方程,基岩中考虑气体在基岩孔隙中黏性流、Knudsen扩散、分子扩散以及气体在基岩孔隙表面的吸附解吸,吸附采用Langmuir等温吸附方程;裂缝中考虑黏性流、Knudesen扩散和分子扩散机制,在此基础上建立基岩-裂缝双重介质数值模型并采用有限元方法对模型进行求解.根据数值模拟结果对影响页岩气藏产能的因素进行分析.结果表明:页岩气产出气是游离气和吸附气解吸共同采出的结果,在给定的页岩气藏条件下,游离气影响更大,吸附对页岩气产能有较大影响,忽略吸附会导致预测产能偏低;Knudsen扩散(或Klinkenberg效应)对基岩视渗透率影响较大,越靠近生产井,Knudsen扩散和Klinkenberg效应的影响越大,基岩视渗透率随生产时间延长变大;裂缝渗透率越大,页岩气产量越大,基岩渗透率对页岩气产能影响不大.     

混氢天然气输气站场泄漏扩散数值模拟

将氢气混入天然气管网是目前世界上实现氢气大规模输送的最有效方式。氢气爆炸极限为4.0%~75.6%，上下限范围宽，且分子直径比甲烷小，极易泄漏，给输气站场带来很大隐患。针对多组分物系混氢天然气的泄漏，基于修正的二元扩散系数及热力学因子计算方法，计算了混氢天然气三物系Fick扩散系数矩阵，用来描述混氢天然气中各组分分子间相互运动的传质过程，以FLUENT为平台进行了CFD数值模拟分析，研究发现，混氢天然气泄漏后其扩散受到障碍物及风速等因素的影响；同体积混氢天然气与不含氢天然气泄漏，混氢天然气爆炸下限扩散半径更小；较低含氢量的混氢天然气泄漏后氢气组分爆炸区域仅限于泄漏点附近。研究结果可为站场内发生混氢天然气泄漏扩散提供预警和防护指导。     

ITQ-3分子筛中甲烷和正丁烷混合物扩散性质的模拟

采用分子动力学方法先分别模拟了单组分的CH_4和C_4H_(10)在二维分子筛ITQ-3中的自扩散系数随负载N的变化。研究表明,在z轴方向的窄孔道中,自扩散系数随负载N的增加两者均表现出先增大后减小的扩散模式,而在y轴方向的宽孔道中,则随负载N的增加单调递减。之后,又模拟了二元组分CH_4和C_4H_(10)混合物在ITQ-3分子筛中随总原子数变化的扩散行为。结果发现,在z轴方向上,当负载N较小时,CH_4的扩散系数随总原子数的增多而增大;当负载N较大时,CH_4的扩散系数随总原子数的增多而减小。在y轴方向上,当负载N较小时,CH_4的扩散同z轴方向一样表现出随总原子数的增多而增大的现象,明显不同于单组分CH_4在y轴方向上的扩散;但随着负载N的增多,在z轴方向的孔道中发生堵塞效应的总原子数在y轴方向的孔道中仍处于过渡状态。     

受限在纳米水环境空间中的甲烷分子

运用分子动力学模拟方法,研究了甲烷与水受限在碳纳米管中的一些性质.计算机模拟发现水分子和甲烷径向密度的非均匀分布.根据径向密度分布情况,将碳纳米管中的甲烷与水分层,分别计算了甲烷分子与水分子的扩散系数和平均氢键数.模拟结果表明:受限在碳纳米管内部中的甲烷趋向在管壁积聚,但当甲烷浓度较高时,发现在碳纳米管中央有部分甲烷分子积聚.     

超临界二氧化碳萃取深层稠油组分的分子动力学模拟

为了从微观层面探究超临界CO_2对稠油组分的萃取机制,采用分子动力学模拟方法分析了稠油组分在砂岩表面的密度分布和吸附特征,研究了超临界CO_2对岩石表面稠油组分的萃取特点和扩散规律。研究结果表明,稠油四组分在稠油聚集体中呈现不均衡分布状态,沥青质自缔合能力强,胶质紧密包裹在沥青质周围,构成复杂的空间网状结构;芳香烃和饱和烃分布在沥青质、胶质周围,显示出稠油分子结构的层次性。沥青质与岩石表面相互作用能较大,超临界CO_2难以在沥青质中运移,扩散系数低,萃取难度大,萃取率接近于0;而芳香烃、饱和烃与岩石表面的相互作用能较小,超临界CO_2容易在芳香烃、饱和烃中溶解、运移,扩散系数大,容易被超临界CO_2萃取,萃取率可分别达到53%和28%。运用分子动力学方法揭示的微观动力学机制对于宏观认识超临界CO_2萃取稠油轻质组分具有重要意义。