Correlation between surface charge and hydration on mineral surfaces in aqueous solutions: A critical review

Surface charges and hydration are predominant properties of colloidal particles that govern colloidal stability in aqueous suspensions. These properties usually coexist and interact with each other. The correlation between the surface charge and hydration of minerals is summarized on the basis of innovative experimental, theoretical, and molecular dynamics simulation studies. The factors affecting the adsorption behavior of ions and water molecules, such as ion concentration, ion hydration radius and valence, and surface properties, are discussed.For example, the hydration and adsorption states completely differ between monovalent and divalent ions. For ions of the same valence, the effect of surface charge on the hydration force follows the Hofmeister adsorption series. Electrolyte concentration exerts a significant effect on the hydration force at high ion concentrations. Meanwhile, the ion correlations in high-concentration electrolyte systems become long range.The interfacial water structure largely depends on surface chemistry. The hydration layer between different surfaces shows large qualitative differences.     

Molecular dynamics study on BPTI aqueous solution by ABEEM/MM fluctuating charge model

Molecular dynamics simulation on BPTI （biovine pancreatic trypsin inhibitor） aqueous solution has been performed for the first time in terms of the atom-bond electronegativity equalization method fused with molecular mechanics （ABEEM/MM）. The simulated parameters including ABEEM parameters and force field parameters have been tested. Some structural properties including root-mean-square deviations of atomic coordinates and radial distribution functions were studied by ABEEM/MM fluctuating charge method. The results demonstrate that this model can obtain reasonable structural properties compared with experimental crystal data. The radial distribution functions indicate that ABEEM/MM method can well embody the electrostatic polarizations between protein molecule and its surrounding solvent waters.     

分子动力学模拟中涨落对界面特性的影响

提出了一种计算方法,该方法运用(2～5)/1.2rm法则来研究分子涨落现象对汽-液界面层的影响,通过对Lennard-Jones流体CH4的气-液两相系统的分子动力学模拟,得出了均匀相中饱和气体密度、饱和液体密度以及非均匀相中表面张力变化,与传统的统计方法相比,该方法计算非均匀相中表面张力的误差更小,更加节省模拟时间.     

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.     

水下拖缆接触海底时的数值模拟

为分析拖缆和海底的相互作用,研究了水下拖缆和海底有接触时的运动响应.首先,基于集中质量法给出了三维非均匀拖缆运动的数学模型,并采用四阶龙格库塔方法进行数值求解.其次,将海底视为三维不规则连续的刚性曲面,其中海底对拖揽的作用力包括法向反作用力和切向摩擦阻力两部分,并计入了带速着底时的冲击响应,藉此考虑了它们对拖缆动力学性能的影响.最后,由仿真计算给出拖揽在不同运动状态下的响应并进行了分析.结果表明,摩擦阻力和冲击对拖揽动力学性能影响显著.     

无机盐作用下伊利石水化特性的分子模拟

伊蒙混层水化导致井壁失稳的现象相当突出，蒙脱石的水化研究较多。为研究伊利石在无机盐作用下的水化机理及膨胀特性，通过分子模拟技术建立了1M-tv和1M-cv两种在油气储层中较常见的伊利石晶体模型，并进一步通过分子动力学方法研究了伊利石层间粒子的微观分布和进入层间的无机盐阳离子的水化参数。结果表明，伊利石层间距随吸附水分子数的增大而增大，当水分子数为20时达到饱和状态； 1M-tv构型比1M-cv构型更容易发生水化膨胀； K⁺和Ca²⁺分别是一价阳离子和二价阳离子中水化数和水化半径最小的，且K⁺可以嵌入四面体片层的硅氧六元环中而难以发生离子交换，可有效阻止水分子进入伊利石晶体结构内部；实验结果很好地验证了KCl和CaCl₂对伊利石水化膨胀的抑制性。该结果对于页岩的防塌机理研究和钻井液水化抑制剂的研究具有一定的理论指导意义。     

二维浅水流动的离散涡方法

根据二维浅水流动中旋涡既可产生于流动边界层，也可在主流场中自生自灭的特点，建立起Eulerian-Lagrangian框架下的二维浅水流动离散涡方法；利用该方法数值仿真了高雷诺数下的二维浅水方柱绕流，得到了流动的速度场、涡谱，计算结果中明显可见流动分离、旋涡以及旋涡随时间的发展演化，即模拟出流动所具有的非定常不稳定等非线性特征。     

分子动力学模拟方法及其应用

本文阐述了分子动力学模拟的原理,清楚地解释了力场、牛顿运动方程及其数值解法、系综、周期性边界条件、积分步长等基本概念.分析和总结了分子动力学模拟的功能、特点和应用,特别是在材料科中的应用情况进行了简要概述.     

分子模拟有机胺页岩抑制剂碳链长度对抑制性能的影响

有机胺钻井液体系近年来在国内外备受关注,其实质是应用了新的有机胺页岩抑制剂,因此更高效地研发胺类抑制剂是有机胺钻井液技术发展的关键。为研究有机胺类页岩抑制剂碳链长度对其抑制性能的影响规律和其抑制作用产生的作用机理,通过分子模拟方法研究了不同直链状有机胺分子——乙二胺、1,4-丁二胺、1,6-己二胺、1,8-辛二胺、1,10-癸二胺的抑制性能变化规律,并通过分子动力学方法研究了有机胺页岩抑制剂对Na-蒙脱石水化抑制的作用机理以及有机胺页岩抑制剂对蒙脱石晶体力学性质的影响。结果表明,这些有机胺分子的抑制性能有明显的差异,1,6-己二胺的水化抑制效果最佳,乙二胺和1,10-癸二胺的抑制效果较差。可见,分子结构为直链状且两端为胺基的有机胺分子的水化抑制性随碳链长度的增加呈先增后减的趋势,且在含有6个碳原子(1,6-己二胺)时水化抑制效果和蒙脱石力学性能均达到最佳。     

大体积混凝土结构温度场的随机有限元算法

综合考虑环境因素（如库水温度、气温等）以及混凝土热力学参数的随机性，给出了可以反映材料参数随机性的基于随机场局部平均的温度场随机变分原理和随机有限元列式。为使随机有限元法可以进一步考虑随机过程参数的影响，文中视复频响应函数为随机函数；给出了复频响应函数－随机有限元法。文末算例表明了该方法的正确性和实用性。     

分子动力学模拟在钙基地聚合物研究中的进展

随着材料研究从宏观到微观逐步发展的趋势,分子动力学模拟成为研究材料微观结构的重要手段。基于分子动力模拟在钙基地聚合物的研究,综述了分子动力学的基本理论,详细介绍了分子动力学模拟对钙基地聚合物中C—S—H、N—A—S—H和C—A—S—H凝胶的研究进展。通过模拟得到的数据,同已有的实验数据进行对比,验证了计算机模拟的可操作性。最后,指出当前研究中存在的问题并对下一步的工作进行了展望。     

一种用于剂量效应模拟的新型分子动力学统计噪声改进算法

提出了一种用于分子动力学(MD)模拟晶体靶材料中离子注入的加速算法.READE(包含剂量效应的稀有事件算法)方法可以很好的加速含剂量效应的离子注入的分子动力学模拟.在保证高精度和剂量效应的同时,模拟的时间大幅度减小.同时,在模拟中许多导致统计噪声的细节在READE中被考虑进来,并使得READE更加合理和可信.     

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。     

一种基于CFD的飞行模拟方法

分析了飞行力学模拟与CFD模拟之间的影响关系。详细考虑了机动飞行过程中飞行参数变化与气动力变化之间的相互影响,开发出基于高精度CFD计算的飞行力学模拟方法。改进了传统飞行力学计算方法,保证了气动数据和飞行数据的计算精度。采用此方法,通过一次数值模拟即可得到飞行过程中气动力及飞行轨迹、飞行速度等的变化过程,可用于对飞行器设计方案进行精细模拟。     

机器人机电一体化设计方法与应用研究——运动学及力学分析

对JZF防爆机器人进行了运动学、动力学和机械力学的分析研究,将机械系统结构参数和运动学参数(可计算与不可计算参数)与广义力(惯性力、弹性力、阻尼力)联系在一起,并通过振动实验模态识别方法求得不可计算参数.编制了仿真软件包,从系统的角度计算和优选驱动部件——执行元件和机械系统的结构参数,使机械参数与电控参数达到最佳匹配。     

带电纳米管道对K离子水合作用影响的模拟研究

采用分子动力学方法模拟了三种不同电荷密度的带电纳米管道对钾离子的水合作用产生的影响.模拟以半径为0.678 nm的无限长单壁椅型带电碳纳米管为纳米管道模型,讨论了在三种不同的电荷密度情况下,钾离子和水分子在管中的径向分布,钾离子水合层中水分子的径向分布以及钾离子第一水合层的水分子数.模拟结果表明,在电荷的影响下,钾离子和水分子在管中的径向分布未有明显的变化,而钾离子水合层的水分子的径向分布以及钾离子第一水合层的水分子数却产生了一定的变化.这说明纳米管道上的电荷会对离子的水合作用产生影响.这些发现将对进一步理解生物离子通道对离子可选择性机理和设计纳米流体器件有一定的意义.     

水化硅酸钙力学性能分子动力学模拟方法对比研究

对水化硅酸钙凝胶(C-S-H)的力学性能分子动力学模拟方法进行了对比研究。以Tobermorite和Jennite晶体作为CS-H纳观结构的模型,建立3倍晶胞分别在COMPASS、COMPASS II两种力场下进行分子动力学模拟,得到纳观结构的力学性能。然后根据Powers和Jennings水化模型,引用自融洽(SC)和Mori-Tanka均匀化方法考虑孔隙率因素,计算C-S-H凝胶的力学性能。研究发现,COMPASS力场对C-S-H力学性能的模拟更好;SC方法计算的结果更为接近试验值;Tobermorite 11和Jennite结构模型在力学性能模拟方面更准确;Jennings水化模型与原子模拟研究技术结合较好。     

底部钻具组合二维分析新方法

提出一种用于分析底部钻具组合稳定器处的轴向力的新方法 ,即认为轴向力方向应与钻柱切线方向一致 ,其大小不应忽略井壁支反力的影响。在此基础上 ,采用加权余量法推导出一套用于计算底部钻具组合二维受力和变形的新的公式。实例计算结果表明 ,由于该公式考虑影响因素更全面 ,因而其计算结果更具合理性 ,与钻柱实际受力情况更加相符 ,且计算过程更为简便、快捷。     

冲击振动压路机工作轮的仿真建模与分析

针对冲击压路机的一些缺点，提出了冲击振动压路机。首先对压路机进行了力学和工作状态的分析，并利用ADAMS软件进行了虚拟样机的建模和仿真。仿真结果中得到了这种新型压路机的现实可行性和压路机的所需牵引力以及冲击块对地的冲击力。     

C60在再构的金刚石（100）表面沉积的计算机模拟研究

用分子动力学模拟的方法和Ｔｅｒｓｏｆｆ多体势函数对低能入射的Ｃ６０分子在再构的金刚石表面沉积的过程进行模拟研究。以Ｃ６０初始入射能量为３０ｅＶ和６０ｅＶ垂直于表面入射时，入射的Ｃ６０分子没有多金刚石表面反弹出来，而是与金刚石表面相互吸引而导致Ｃ６０分子沉积在金刚石的表面。