HTPB/Al/AP/RDX推进剂初始燃烧的分子模拟

针对一种四组元HTPB推进剂(HTPB/Al/AP/RDX)关键组分,基于第一性原理计算的数据集,使用深度神经网络模型开发了一个机器学习势函数;基于新开发的势函数,建立了四组元HTPB推进剂燃面模型,并进行了大规模的分子动力学模拟计算,对推进剂燃烧时的微观结构、温度、反应组分的时空演化进行了系统统计分析。结果表明,新开发的势函数能够准确描述推进剂组分单质及两两之间界面的能量和受力特性,是一个高精度、高效率的机器学习势函数;燃面模型实现了对推进剂燃烧过程中的AP、RDX、HTPB热解过程精准模拟,阐明了扩散火焰的形成机理以及铝粉从燃面剥离等微观过程,揭示了其中的各组分界面相互作用机制。表明分子动力学模拟能够在原子尺度上实现时间分辨的三维重建,进而获得推进剂燃烧的微观机理,可为固体推进剂的理论研究提供了新的工具。

机器学习势在含能材料分子模拟中的研究进展

归纳了机器学习势模型的发展历程、构造方案和训练集搭建策略。机器学习势模型利用第一性原理计算精度的势能面,通过机器学习算法进行重建,已成功用于含能材料燃烧爆炸的分子模拟研究,包括硝胺类含能材料(RDX、CL-20、ICM-102)、氧化剂(AP)和高能颗粒(Al、B)等,并总结了机器学习势在碳氢燃料燃烧方面的研究进展,展望了机器学习势在含能材料分子模拟中所面临的挑战和未来发展前景。指出以深度势(Deep Potential)模型为代表的机器学习势具有高精度、高效率的特点,充分发挥了基于数据驱动的模型训练策略,在保持第一性原理计算精度的同时,可以实现百万原子的分子模拟,具有广阔的应用潜力。提出未来含能材料机器学习势函数的开发将面临如下挑战:(1)如何对极端条件下复杂反应势面进行充分采样;(2)如何提高机器学习势训练集的精度。附参考文献91篇。

3D打印铝基含能材料的研究进展

论述了3D打印技术在铝基含能材料性能调控方面的应用;分别讨论了3D打印墨水优化和利用3D打印技术优化成型材料的微结构两个方面对含能材料燃速、力学特性等方面的影响。研究发现,在墨水中添加含氟聚合物或可解链聚合物会显著影响铝粉燃烧的初始反应路径,调节其点火和燃烧特性;作为黏合剂在含能材料应用中能够快速释放大量气体产物,抑制铝粉的团聚,是未来黏合剂选择的一种新路径。3D打印含能材料的微结构优化主要利用改变含能材料空间结构、分布梯度和组分的特定结构等方法,提高材料的燃烧效率。从目前已有成果和发展趋势来看,墨水优化与微结构优化相结合将是含能材料制备工艺的未来发展方向。附参考文献94篇。

基于急速混合管状火焰的甲烷富氧燃烧特性

采用一种将燃料与氧化剂分别切向喷注的急速混合管状火焰燃烧技术,开展了甲烷富氧燃烧实验研究,探讨了稀释剂添加方案、流量以及燃烧器入口宽度对火焰结构的影响规律.实验结果表明,在燃料侧与氧化剂侧均注入二氧化碳稀释剂,且在两侧流速相同的情况下,火焰结构更均匀;随着燃料与氧化剂流量增大,混合效果增强;入口宽度越小,混合效果越佳,高氧气浓度下有效防止扩散火焰的形成,获得了当量比为1.0的纯氧稳定火焰.随着氧气浓度的升高,可燃范围增大,且不同入口宽度对可燃范围影响微小.

虚拟现实技术在高等化学教育中的应用和探索

对于化学结构的理解是高等化学教育中的重要组成部分。在传统的教育方式下,受限于可视化手段,学习和理解复杂的化学结构非常困难,因此学生在学习化学时会感觉晦涩难懂。在本项工作中,我们通过把虚拟现实(VR)技术和分子动力学方法结合到一起,开发了交互式分子结构可视化工具Manta。Manta工具可以生动形象地展示微观纳米结构,同时允许学生与分子结构进行直接交互,修改和创建新的化学结构。借助高精度实时计算技术与沉浸式VR技术,Manta带领学生走进真实的分子世界,充分调动学习者的自主能动性,可以作为传统教学的重要补充以促进高等化学教育的发展。

基于化学反应神经网络的纳米Al-PTFE复合体系反应动力学建模研究

为深入了解纳米铝粉-聚四氟乙烯(Al-PTFE)的化学反应机理,以热重(TG)实验数据为基础,采用化学反应神经网络(CRNN)对纳米Al-PTFE反应机理进行动力学建模;提出的建模方法可以建立至少包含4种反应中间体和4个关键反应的动力学模型,通过此模型可以准确预测Al-PTFE反应过程中的热重曲线;再结合已有的Al-PTFE体系动力学过程,推测反应体系的主要反应路径和中间产物。结果表明,纳米Al-PTFE的热解过程可能存在5步基本反应,其中C_(2)F_(4)的分解和气化反应、薄膜Al_(2)O_(3)的破损、内部Al的释放为其主要反应,活化能为200.9kJ/mol。中间物质可能包括CF、CF2、CF3等物质,固态产物为Al_(4)C_(3)和C,气态产物可能为CO_(2)和CO。表明化学反应神经网络能够对纳米Al-PTFE的热解反应进行建模,预测可能存在的反应机理和相应的动力学参数。

基于急速混合管状火焰技术的丙烷富氧燃烧

采用燃料与氧化剂分别切向注入柱形燃烧室的急速混合管状火焰燃烧技术,开展了丙烷富氧燃烧实验研究,重点分析了火焰结构和燃烧稳定性随氧气摩尔分数xO_2的变化规律。丙烷空气实验中,急速混合获得了与预混燃烧相近的均匀稳定层流火焰。以CO_2为稀释剂,利用急速混合燃烧分析了不同xO_2的火焰特性。结果表明:当xO_2≤0.5时,在可燃范围内可获得均匀稳定的管状火焰;xO_2=0.6,火焰结构不均匀但仍为稳定层流火焰;xO_2增加至0.7时,仅在低当量比下获得了稳定管状火焰,当量比为1.0附近则出现了不稳定燃烧;随着xO_2进一步增加,不稳定燃烧范围扩大。实验测量了xO_2≤0.4的丙烷可燃界限,相同xO_2下N2为稀释剂的可燃范围比CO_2的大;且在xO_2低至0.125时仍能燃烧,而CO_2为稀释剂时此值为0.18。