基于高通量计算的反渗透淡化三维传递MLP模型构建

全球淡水资源日趋紧张.反渗透(reverse osmosis, RO)是目前最先进的淡化技术之一,占据了50%以上淡化市场.高性能RO膜可显著提高产水效率,但其高通量的特性也导致了严重的浓差极化与膜污染等共性难题,严重制约其进一步广泛应用.因此,在传统膜组件迭代设计方法的基础上,开发更高效的优化设计方法,可加速高性能RO膜的商业化,极具研究意义.本文采用计算流体力学(computational fluid dynamics, CFD)和深度学习方法,结合超级计算,构建了多工况下基于高性能RO膜的海水淡化复杂进水通道的高维非线性传递模型:建立了RO膜组件进水通道中流体流动与盐组分传递的“多物理场全耦合高保真三维模型”;基于商业进水隔网在设计参数空间范围内进行类拉丁超立方抽样,生成726组不同工况CFD模型,并行计算规模可达2万核以上;基于数据驱动的深度学习方法,建立代理传递模型,可预测整个设计参数空间内大规模参数组合工况模型的三维局部速度、压力以及浓度分布,通过计算相对均方根误差,得到预测精度分别为93.5%、98.3%和95.1%,计算效率相比传统有限元方法提高了1～2个数量级.本文提...     

一个新颖的中空纤维人工肾传质理论模型

介绍了一个新颖的中空纤维人工肾传质理论模型. 在模型中, 人工肾看成是一个由两个不相连通的多孔流动区域组成的多孔介质区域. 首先, 将透析液流动区域看成是一个多孔介质区域; 然后固定透析液流动区域和纤维膜所占区域, 人工肾中剩下的区域(也就是血液流动区域)也看成是一个多孔介质区域; 最后, 这两个多孔流动区域的交界面是纤维膜, 通过纤维膜进行质量交换. 透析液流动和血液流动均用带Darcy动量源项的Navier-Stokes方程描述, Kedem-Katchalsky方程作为其他的源项加进Navier-Stokes方程模拟通过纤维膜的渗透流. 计算过程中所有方程耦合求解, 模型被文献中的实验数据验证. 模拟结果显示, 模型预测的人工肾清除率与文献中的实验数据吻合, 并且优于其他模型对清除率的预测.     

定量结构-性质关系(QSPR)中的计算方法研究进展

定量结构-性质关系(QSPR)方法是一种将材料的微观定量结构与其某些性能构建关系的方法.通过构建的关系模型可以对具有其他结构的材料性能进行预测, QSPR已成为材料基因组计划的主要实现途径之一.计算方法是决定QSPR模型准确程度、构建速度的主要因素,选择最佳的计算方法对改善QSPR模型预测精度、计算速度等指标至关重要.本文首先对QSPR模型进行了概述,简单介绍了QSPR方法的计算步骤;重点说明了QSPR中分子描述符计算方法、模型优化算法,并对各个方法进行了优缺点分析;最后总结了近些年QSPR中各类计算方法的应用趋势.     

有限力迫伴随的可判定性

众所周知,有限力迫伴随T~f关于T_v通常是超算术的。我们证明:如果T~f是∑_1-理论(相对于T_v)则它便是可判定的(相对于T_v)。十九世纪数学的成就之一,是找到一种计算方法,对每一个正的原始公式φ,得出一个无量词公式φ~*(结式),使得,这里T是域的理论。A。Robinson发展了一种模型论的方法,可证明这种结式的存在性。我们进一步说明,计算所需结式的(能行)算法的存在性,亦可用模型论力迫加以证明(由于方法的一般性)。还有其它应用。     

粘贴DNA计算机模型(Ⅰ): 理论

粘贴模型(sticker models)是目前DNA计算机模型中的一种主要模型之一. 该模型采用单、双链混合型DNA分子进行编码, 具有在生物操作过程中不需要DNA链的延伸、不需要生物酶的作用以及DNA链可重复使用等优点. 因而受到不同学科学者的关注与兴趣. 对此模型分理论、应用两个部分进行了比较系统地论述, 理论部分的具体内容是: 首先比较系统地介绍了粘贴计算的经典模型的有关基本理论; 其次讨论了在粘贴模型与形式语言基础上建立起来的一种抽象的计算模型——粘贴系统; 第三, 对粘贴模型进行了推广和进一步的完善, 提出两种在应用上更为广泛、理论上进一步完善的模型: 一个是所谓的k-进制粘贴模型, 另一个是所谓的全信息粘贴DNA计算模型.     

纳米薄膜导热系数的分子动力学模拟

建立了一种导热模型,采用分子动力学方法模拟研究了厚度为纳米量级的固体薄膜在垂直于膜平面方向的导热系数,选取具有可靠实验数据和势能函数的固体氩作为模型系统。通过计算机模拟预报了纳米薄膜导热系数的“尺寸效应”：在膜厚度为２－１０ｎｍ范围内,薄膜导热系数值显著低于大体积实验值,并随膜厚度增大而增大。声子Ｂｏｌｔｚｍａｎｎ输运方程的近似解与计算机模拟结果相一致,揭示了导热系数的“尺寸效应”来源于薄膜边界对     

基于非结构化VOSET方法的沸腾传热

将非结构化VOSET方法推广至求解气液界面存在相变的流动传热问题.为准确计算界面两侧因相变导致的能量跳跃,给出了含界面非结构网格控制单元温度的计算方法,并对非界面网格温度场采用隐式求解以提高计算精度.为验证所构建相变模型的正确性,编写程序分别模拟了恒壁面过热度和恒热流密度两种边界条件下的水平表面膜态沸腾,计算结果与Klimenko经验关联式吻合良好.通过圆弧表面膜态沸腾问题,验证了本文基于带相变非结构VOSET方法对不规则区域沸腾相变问题的适用性.通过模拟近临界压力水的膜态沸腾问题,并与Berenson和Klimenko经验关联式对比,验证了本文方法对实际沸腾问题的适用性.     

两组分混合单分子膜分相结构的AFM研究

一些非完全互溶的混合单分子膜会在气-液界面发生相分离现象,形成多种二维微晶畴(Domain)结构,这为人们提供了一个了解与认识准二维混合体系中诸如相变、分相等多种物理过程的机会.同时,混合单分子膜这一结构形式,还提供了一种将多种功能分子组装于同一个单分子层中的方法.因此,对混合单分子膜微观结构的研究与表征具有十分重要的理论及实际意义.     

建筑火灾模拟的区域-粒子模型

提出了一种新型的模拟火灾烟气运动和混合行为的模型. 该模型引入了一个标量函数来表征热烟气和冷空气的混合, 以此来提高温度和烟气浓度在垂直方向上的预测精度. 模型采用光滑粒子流体动力学方法(SPH), 通过重构粒子的速度, 求解粒子位置, 计算其在区域模型中各层的数量, 来获得标量函数的分布. 采用一个标准的实验建筑算例, 通过其与实验数据, CFD模拟数据和传统区域模型CFAST的比较, 验证了模型的合理性. 与传统的区域模型相比, 新模型的温度预测结果与实验数据和CFD模拟数据符合较好.     

超大单胞体系电子结构计算的负因子计数方法——定理及数值方法

一、引言 大分子的量子化学计算一直是一个很困难的问题。目前,无序体系(如非晶态材料、生物大分子)及超晶格体系引起了人们的极大兴趣。但是,由于这种复杂体系涉及到高阶的Hamilton矩阵(约1000×1000),因而使量子化学计算变得困难。对于一维无序长链体系,近年来发展的负因子计数(NFC)方法是一种非常有效的手段。为了给这种方法一个坚实的数学基础,我们在厄米矩阵的形式下严格地论证了负本征值定理,并在此基础上提出了求解超晶格紧束缚模型的数值方法。     

DNA缩短法计算模型求解最大独立集问题

提出了一种基于环形DNA缩短法的新型计算模型. 该模型可以求解n个顶点m条边的图的最大独立集. 算法的时间复杂度是O(n+m). 随着问题规模的增大, 计算所需的试管数量呈线性增长. 在计算模型的生物操作中, 有两个主要技术: DNA分子内环化和DNA长度逐步缩短. 结合反向PCR(聚合酶链式反应), 磁珠吸附和环化酶催化等多种方法, 在求解步骤中, DNA分子的结构在线性双链DNA(dsDNA)、线性单链DNA(ssDNA)和环形单链DNA之间进行循环变化. 利用环形DNA分子的结构特点, 在计算过程中避免了DNA分子间重组. 为了证实该DNA计算模型的可行性, 利用其求解了一个最大独立集问题的实例.     

蛋白三态去折叠自由能计算新方法

基于三态模型中的传统假设,三态解折叠蛋白的解折叠过程可以看作是一个连续而独立的两个两态过程.本文提出一种新的三态解折叠蛋白去折叠自由能计算新方法,且将该方法用于计算三态解折叠蛋白Y79W-W83F-Cu的去折叠自由能.数据分析表明,用该方法求得的蛋白去折叠自由能较用先前报道的方法更精确.     

池沸腾强化传热中的三维瞬态热传导反问题

回顾了近年来在池沸腾实验过程中衍生出的三维瞬态热传导反问题和相关计算方法的研究,提出了基于制定优化问题的Tikhonov正则化法和迭代正则化法来求解相关的反问题.在对前者的研究中,一种基于模型函数策略的改进Tikhonov正则化法被开发和用于快速估算最优正则化参数,从而加速整个反问题求解过程.对于后者,针对工程上可获得的高分辨率测量数据与有限微热电偶测量数据两种情况,开发了基于共轭梯度法的迭代正则化策略对相关反问题进行求解.近期,针对使用薄加热箔表面这一特殊池沸腾实验提出了一种新的两步直接法.该方法不需要求解大量由偏微分方程约束的优化问题,而是通过近似重构偏微分方程模型的Dirichlet边界条件,将不适定的反问题转化为一个适定的,易于求解的正问题.这种方法在计算效率方面具有优势.此外,在数值计算方面,由于实际实验的非均匀测量配置以及待估算的表面沸腾热流密度在空间和时间尺度上具有发生快速变化的特性,提出了一种新的随时间变化的有限元网格自适应细化策略来进一步加快反问题求解过程.该策略的准确性与效率通过几个典型工程案例得到了验证.基于此,在一个实际单泡核沸腾实验中重建了环状沸腾热流密度模式,与微层理论结论一致.在另一个全阶段的沸腾实验中,使用自研提出的计算方法所估算的表面局部沸腾热流密度峰值是大多数传统研究所获得的宏观平均热流密度的数十倍,乃至近百倍,所获结果揭示了池沸腾强化传热微观上的局部动态.这些针对池沸腾中三维瞬态热传导反问题的研究工作为进一步阐明池沸腾强化传热机理,探索微纳结构等一系列高效传热器件表面沸腾传热的极限,建立精确预测沸腾全过程的数值计算模型和进行基于模型的最优实验设计提供了一些理论指导建议.     

制冷压缩机热力计算的复合模糊模型

将模糊方法引入到制冷压缩机的热力性能计算中,提出了模糊技术与传统理论模型相结合的制冷压缩机热力计算的复合模糊模型及其应用,并与单纯的模糊模型的使用效果进行了比较．结果表明两种方法都可以获得优于传统方法的效果,但复合模糊模型具有更好的精度和适应性．     

耗散粒子动力学方法在生物学领域的应用与研究进展:从蛋白质结构到细胞力学

耗散粒子动力学(dissipative particle dynamics, DPD)是近年发展起来的一种介观尺度的数值模拟方法,是研究软物质和复杂流体动力学行为的一种重要手段.这种新型介观模拟方法采用粗粒化粒子模型描述具有关联性的原子团或物质团,并通过简单的软排斥作用力描述粗粒化粒子间的相互作用,从而实现更大时间和空间尺度的复杂系统模拟计算,如油/水/表面活性剂体系、聚合物和胶体溶液的化学形态、微观形貌、相分离以及复杂流体流变特性的模拟等.本文首先介绍了DPD方法的理论框架,继而详细综述了DPD方法在生物系统中的应用.具体地,在分子尺度,我们重点介绍了该方法在蛋白质结构及其相互作用、两亲性脂质分子膜的结构与动力学、脂质膜与蛋白分子相互作用、纳米颗粒与脂质膜相互作用等方面的研究现状和研究热点.在细胞尺度,我们归纳了DPD方法在模拟血液微循环系统中血细胞的流动和血液流变学行为等方面的应用进展,包括红细胞的变形及流动,白细胞边聚及黏附行为,血小板边聚、黏附及聚集行为,健康与疾病状态下血液流变学特征,循环肿瘤细胞迁移、黏附及分选富集等.此外,我们总结了用于模拟血细胞变形及血液流动的其他数值模...     

臭氧破坏肺部的模型预测

一种描述臭氧在人体脑内迁移过程的数学模型已经由Northwestern大学的生物医学工程师Jamoes B.Grotberg研制成功。这对研究臭氧诱导肺部紊乱是非常有用的。在这一模型中,呈管状网络的肺部组织分成了许许多多愈来愈小的通气孔,在这些孔的内壁衬有一层液膜,在通气孔开头部分的液膜中有臭氧存在。但是在第17部分的液膜上呈现有许多小坑,液膜由于太薄而起不到保护肺组织的作用,大量的臭氧     

利用SiO_2混合模型计算漳州地热田热储温度

热储温度是地热资源勘探中不可缺少的一个重要参数,一般通过化学温标的方法加以计算,目前热储温度计算中通用的化学温标有十数种,每种温标有其相应的应用条件,漳州地热田是一个受海水混入影响强烈的咸水热田,其热储温度不能简单地用一般化学温标加以直接计算,1986年法国学者曾用普通化学温标计算过该热田的热储温度,但未能取得一致的结果,作者根据漳州热田的具体情况,提出用SiO_2混合模型计算热储温度的方法,取得了可靠的结果,现报道于下。     

蚕豆叶细胞质膜中红膜肽的免疫化学鉴定

近年来的研究证明,红细胞膜上存在一个膜骨架系统,由红膜肽(spectrin)、连接蛋白(ankyrin)、带4.1蛋白和肌动蛋白(actin)等组成。最近在动物多种器官的细胞内也发现了膜骨架蛋白,特别是红膜肽的存在。我们在文献[3,4]中用聚丙烯酰胺凝胶电泳方法分析了蚕豆叶细胞质膜蛋白的组成,并与人红细胞膜骨架蛋白作了比较。结果表明,蚕豆叶细胞质膜蛋白中的245和228 kD两种蛋白质可能即是人红细胞质膜上的红膜肽α和红膜肽β。本文目的在于用免疫化学方法鉴定蚕豆叶细胞质膜中的红膜肽,进一步证明植物细胞质膜中膜骨架的存在。研究结果表明,在植物细胞中确实存在着红膜肽α及β。     

用X射线双晶衍射方法测定GaMnAs组分

对计算化合物晶体点缺陷的模型做了改进,在此基础上建立了一种精确测定GaMnAs中Mn组分的方法,并且在测定GaMnAs晶格参数的实验过程中,建立了一种消除X射线衍射仪零点漂移的方法,提高了测定晶格参数的精确度,采用该方法测试分析了离子束外延技术制备的GaMnAs单晶中Mn组分。     

莱氏衣原体膜上ATPase的热变性行为——差示扫描量热法及热凝胶分析

莱氏衣原体作为一类缺少细胞壁的简单的原核生物,常被用来作为生物膜研究的模型。菜氏衣原体膜的差示扫描量热(differential scanning calorimetry,DSC)曲线,是确认生物膜存在由晶态转变为液晶态的一个有力的证据。但对菜氏衣原体膜精细DSC图谱尚无人进行研究。近几年来高灵敏度的差示扫描量热仪法的出现,为研究生物膜的结构和功能提供了一个有力的工具,它能清晰地显示膜上主要蛋白的热转变峰,用这种方法得到了许多天然膜结构的精细DSC图谱。我们在过去对菜氏衣原体膜上ATPase研究的基础上,利用