基于粗粒化分子动力学的自由水与水化硅酸钙孔隙水冻结模拟

水化硅酸钙是水泥基材料的主要水化产物,其孔隙内的水分是影响水泥基材料抗冻性的主要因素。本文基于粗粒化分子动力学方法研究水化硅酸钙孔隙水的冻结机制,针对水的粗粒化P_(4)粒子和水化硅酸钙胶体颗粒,建立了水化硅酸钙孔隙水的冻结模型。根据此模型计算了不同孔径孔隙水冰点,分析了水泥基材料孔径孔隙在冻融破坏中的危害程度;模拟得到了水化硅酸钙孔隙内水的冻结分布特征和密度分布特征。研究工作表明,本文建立的模型有效提高了分子动力学模拟水化硅酸钙孔隙水冻结问题的规模,为后续进行水泥基材料的冻融破坏分析提供了研究基础。

基于精确缩尺和粗粒化的颗粒材料FDEM模拟方法

颗粒材料具有非连续、离散性等特征,在进行数值模拟时面临着较大的计算压力。通过将精确缩尺准则和粗粒化方法引入到连续-离散耦合(combinedfinite-discreteelementmethod,FDEM)方法中,旨在为加速基于FDEM的颗粒材料数值模拟提供一种解决方案。基于精确缩尺和粗粒化等理论,推导了FDEM中应遵循的精确缩尺准则,在此基础上分别进行了等粒径颗粒体系及二元颗粒体系的三轴剪切数值试验。试验结果表明,在未引入精确缩尺准则时,粗粒化模型表现的力学响应特征会发生改变,结果出现失真,因此必须对粗粒化模型参数进行修正。引入精确缩尺准则后,粗粒化模型的力学响应特征会得到补正。试验结果论证了FDEM引入精确缩尺准则和粗粒化方法的有效性,即能在近似原始颗粒体系的条件下大幅度提升采用FDEM进行颗粒材料数值模拟的计算效率。基于数值试验结果进行了宏细观力学分析,宏观应力变形和细观接触力相互映证,揭示了精确缩尺和粗粒化方法的细观力学机理。

双尺度粗粒化离散元方法及煤散料试验验证

离散元法(DEM)常用于工程尺度下颗粒系统的模拟,但计算效率仍是大规模颗粒系统运行的制约因素。现有的粗粒化处理方法适用性有限且缺乏普适的理论基础。为解决此问题,研究利用量纲分析描述精确缩尺系统中物理量的缩放定律,通过代表性体积单元(RVE),在粗粒化系统和原始系统之间建立了质量、动量和能量的近似守恒关系,并获得了2个不同尺度(宏观和细观)下相应物理量的缩放关系。为验证所提出的双尺度粗粒化离散元方法的正确性,将该方法应用于煤散料下落和回转试验中,真实试验中煤颗粒尺寸为4 mm,仿真中采用5组不同缩放系数的煤颗粒,其尺寸范围为4~12 mm,试验与仿真中煤散料总体积均为0.001 m^(3)。煤散料下落试验采用平均冲击力和堆积休止角作为对比指标,结果表明,随着煤颗粒尺寸增大,两者的相对误差总体呈现增大趋势(尺寸为12 mm时,冲击力误差为14.36%,休止角误差为19.05%)。煤散料回转试验采用上试样受力和煤散料堆积轮廓曲线相关系数作为对比指标,结果表明,随着颗粒尺寸增大,相对误差随之增大,相关系数总体降低(尺寸为12 mm时,受力误差为39.29%,相关系数为0.9574)。仿真所需时长比预测时长还要少,结果充分证明了双尺度粗粒化离散元法的有效性,粗粒化系统在可接受的误差范围内可显著提高计算效率。

基于粗粒化分子动力学的自支撑石墨烯镜面屈曲研究

在扫描隧道显微镜的观测中发现了自支撑石墨烯膜镜面屈曲这一独特现象,目前尚少有研究人员对其进行系统性的研究.对于这种面外变形行为,不论是在实验观测,还是在能量收集系统这种潜在的应用形式中,石墨烯的尺寸都需要达到微米级.先前的研究表明,传统分子动力学适用于纳米尺度石墨烯的计算与分析,由于其计算方法的限制,在处理微米级模型时容易出现计算效率低、耗时长等问题.为了研究微米级尺寸石墨烯膜镜面屈曲现象,本文使用粗粒化分子动力学方法,首先验证该方法的适用性,然后分别施加不同大小的机械载荷和温度载荷在扇形截面不同高跨比的石墨烯膜上以分析各因素带来的影响.计算结果表明机械载荷作用下各个高跨比石墨烯均可以发生镜面屈曲现象,且临界载荷随高跨比的增大而增大;温度载荷作用下,高跨比较小的石墨烯能够发生完全翻转现象,大高跨比情况下温度升高使中心高度下降,但完全翻转较难发生.研究分析各因素对于石墨烯镜面屈曲现象的影响,可以加深对这一特殊现象了解的同时,为能量收集系统的设计提供理论指导.

基于恒应变方法的碳纳米管/聚酰亚胺复合材料的粗粒化力场开发

研究设计了聚酰亚胺(PI)和碳纳米管(CNT)的粗粒化映射方案,基于应变能守恒的恒应变方法获取了CNT/PI复合材料的粗粒化力场参数。利用粗粒化力场参数模拟CNT与PI分子链的拉伸刚度、CNT与PI基体的界面相互作用以及CNT/PI复合材料的杨氏模量,通过比较全原子与粗粒化模拟结果的匹配程度验证了粗粒化力场参数的准确性。探讨了范德华势函数的平衡距离(r0)和势阱参数(D0)对粗粒化模型的密度、CNT与PI基体的界面相互作用以及纳米复合材料的杨氏模量的影响规律。结果表明:所提出的恒应变方法及利用其获得的粗粒化力场参数可以准确还原出纳米复合材料的相关物理性能。r0增加,模型密度减小,D0增加,CNT与PI基体的界面相互作用与纳米复合材料的杨氏模量增大。

多肽协同作用下淀粉样成核的粗粒化模拟

目的探究考虑协同作用的多肽构象转变能力对多肽成核及相关产物的影响。方法基于淀粉样多肽的两态(可溶态和β纤维化态)粗粒化模型,分别考虑协同作用(局域浓度)对多肽构象转变能力的两种影响(抑制和促进构象转变),通过蒙特卡罗模拟,分析多肽间协同作用对淀粉样成核的调控。结果对于协同作用抑制多肽构象转变的情况,淀粉样成核只在一定多肽浓度区间内、具有特定大小的寡聚体内才易发生,且出现通路寡聚体和非通路寡聚体共存的现象;而对于协同作用促进多肽构象转变的情况,观察到在低至4μmol/L生理浓度下,体系仍然可以形成原纤维。结论本文引入局域浓度对淀粉样多肽构象转变的影响,使多肽的粗粒化模型更加接近真实情况,观察到一些此前未见报道的新奇现象。研究结果有助于更好理解淀粉样多肽的纤维化机制,并为面向神经退行性疾病的治疗策略提供理论借鉴。

粗粒化模拟研究核糖体30S小亚基的组装动力学

核糖体是一种生物大分子复合物,它负责蛋白质的生物合成。在大肠杆菌(E.coli)中,完整的核糖体由30S小亚基和50S大亚基组成。大约半个世纪以来,30S小亚基一直是研究核糖体体外组装的关键模型系统,并提出了其组装图谱。然而,该RNA-蛋白质复合物动态组装过程中很多的结构细节仍然未知。本文按照30S小亚基组装图谱的顺序进行了一系列粗粒化模拟,以研究其组装过程中的构象动力学。我们发现,裸露的16S rRNA三级结构非常不稳定,即使与早期组装蛋白结合后仍然会出现类似情况。中期组装蛋白可以显著限制16S rRNA的柔性,并使后者接近于天然结构。晚期组装蛋白的最终结合使16S rRNA完全获得其功能运动。特别地,我们发现蛋白S9和S3对30S小亚基的组装可能比其他核糖体蛋白有更重要的贡献。如果已知组装图谱,我们的粗粒化模拟策略可以广泛应用于研究生物大分子复合物的组装动力学。

脑电信号多重粗粒化复杂度分析方法研究

为了准确地描述脑电信号的精细结构和复杂成分,提出了基于多重粗粒化的脑电信号复杂度方法。根据脑电信号幅值微弱,幅值跨越大,一定幅值范围的脑电具有特定认知和生理意义的脑电特性,采用多重赋值,可尽量保留对信号复杂结构的描述;基于统计学特点(以百分比为阈值)对已经归一化的信号划分幅值域,进行粗粒化,基于传统方法计算复杂度。该方法有效地克服了经典LZC复杂度不能描述脑电精细结构的不足。提出了当脑电信号在粗粒化后出现局部周期,且达到一定阈值后(如beta波或具有相似幅值特性的脑电信号达到一定阈值),4重复杂度值小于10重复杂度值的假设,初步建立了脑电节律与多重LZC的联系。仿真计算和实际数据验证表明,多重LZC方法结果更准确、合理,而且能反映脑电节律成分特性。

基于粗粒化处理的计算机网络安全态势预测研究

计算机网络中的用户类型复杂,在运行中容易遭到各种攻击,为了准确预测计算机网络的安全态势,提出了基于粗粒化处理的计算机网络安全态势预测研究。根据网络服务和网络主机的威胁系数,计算网络的威胁系数,通过将威胁系数转换成网络符号片段,对计算机网络的安全态势进行粗粒化处理。在网络安全态势的状态集合内,将计算机网络的历史态势和将来态势作为影响其安全运行的因素,通过计算不同防御状态在计算机网络中的概率分配情况,确定不同防御状态的可信度区间,实现计算机网络安全态势的预测。实验结果表明,文中方法能够避免安全态势时间序列之间的较大跨度影响预测结果,并将预测精度提高到90%以上,保证网络的安全性。

聚丙烯、聚乙烯苯和丁苯橡胶粗粒化法处理模拟含油废水

采用聚丙烯、聚乙烯苯和丁苯橡胶粗粒化法对模拟含油废水进行处理,研究发现,用聚丙烯作为填充材料时,除油效果最好,最高可达86.3%;聚乙烯苯除油效果比前者略低,但在处理低浓度含油废水时,除油率可达到95%以上;相比前两种,丁苯橡胶的处理效率较低.

基于等概率粗粒化的复杂度算法及其应用

为探究Lempel-Ziv复杂度(LZC)在心率变异(HRV)分析中的稳定性,提出了等概率粗粒化重构出符号序列计算LZC的新方法和具体算法.以年轻(21-34岁)与年老(68-85岁)组健康受试者的HRV信号为实验数据,选取不同的粗粒化段数,用常规和等概率方法分别计算LZC.再算出不同分段数LZC序列之间的相关系数.结果表明,用新方法得出的相关系数都大于0.96,年老组的LZC指标明显降低(P<0.001),这些结果不受粗粒化段数的影响.新方法算得的LZC是度量HRV稳定而有效的指标。

新型陶瓷滤料处理含油废水的粗粒化试验研究

利用新型陶瓷滤料及其表面改性滤料进行石油废水的粗粒化试验。在不投加混凝剂的条件下,2种滤料分别达到了最高80.62%(无表面改性陶瓷滤料)和76.97%(表面改性陶瓷滤料)的除油效果;在投加硫酸铝混凝剂的条件下2种滤料分别达到了最高73.02%(无表面改性陶瓷滤料)和71.68%(表面改性陶瓷滤料)的除油效果,同时,D2型表面改性滤料达到了平均94.56%的粗粒化除油效果。

基于粗粒化模型对有机溶剂的分子动力学模拟

在基于Boltzmann分布对四种基本构象进行MonteCarlo取样后,通过与全原子模型的范德华势比较得到了Gay-Berne(GB)参数.又在对用量化计算得到的分子体系的电势进行电荷、偶极矩和四极矩的拟合后,得到了电多极展开势(EMP)参数.利用得到的粗粒化参数,基于粗粒化模型,对CHCl3及四氢呋喃(THF)两种有机溶剂进行了分子动力学模拟(MDS),并将结果同全原子模拟进行了比较.计算结果表明用粗粒化模型从整体上能重复全原子模型的模拟结果,但在某些细节的计算与全原子模型有偏差,其原因可能是目前工作仅考虑了单位点情况,为此今后在对具有复杂结构的分子进行粗粒化模拟时还应考虑合理放置及增加相互作用位点.

基于石化污泥的新型碳-无机吸附剂材料的粗粒化除油行为研究

将碳-无机吸附剂用作粗粒化载体进行废水粗粒化除油试验,并对比其它常用材料如聚丙烯、陶粒和活性炭的除油效果。研究了聚合氯化铝PAC、阳离子聚丙烯酰胺PAM等预处理因素对其粗粒化除油效果的影响。试验结果表明,碳-无机吸附剂作为粗粒化材料具有优良的效果。投加PAM能改善碳-无机吸附剂粗粒化除油效果,而投加PAC则会使后续除油效果变差。初步探讨了碳-无机吸附剂这一新型粗粒化载体的除油机理。

多层石墨烯的粗粒化分子动力学模型与力学性能

为了有效研究多层石墨烯等石墨烯集合体的力学性能,避免由于实验难度大、全原子计算成本高等带来的困难,基于Tersoff势函数提出一种可用于计算大规模石墨烯的粗粒化分子动力学方法.该方法计算时只需输入原子坐标,大大减少了模型的数据处理,提高了计算效率.通过与全原子模型计算结果比较,本文提出的粗粒化分子动力学方法可以准确预测多层石墨烯的拉伸破坏性能,对制备高性能石墨烯纤维有一定的指导意义.

粒状粗粒化材料对乳化态餐饮废油的分离效果研究

选取直径为3~4 mm的脱脂核桃粒、PP粒、石英砂为粒状粗粒化材料,探究不同材料对乳化态餐饮废油分离效果的影响。通过对流向、流速、温度、填料高度的控制,得出不同条件下的3种粒状粗粒化材料对乳化态餐饮废油的去除效果。结果表明：采用自下而上流向更加有利于粒状粗粒化材料对乳化态餐饮废油的去除效果;升高温度不利于除油率和CODCr去除率提升,而且呈负相关;提高流速会使除油率和CODCr去除率降低;随着填料高度的增加,除油率和CODCr去除率均呈现出先增加后降低的趋势,在自下而上流向、流速50 L/h、温度40℃、填料床高度20 cm时达到最佳分离效果;粒状粗粒化材料的除油率随着使用时间的延长会逐步降低,采用高速水流反冲洗能够使亲水性粒状粗粒化材料石英砂、脱脂核桃粒恢复良好的除油效果。

粗粒化技术对水包油乳状液分离特性的影响

利用粗粒化原理处理餐饮废水中难以去除的乳化油,自行设计了一种带有粗粒化板的油水分离器,研究了影响除油率的几种因素。试验结果表明,亲油性粗粒化材料的除油效果优于疏油性粗粒化材料,选用聚丙烯板呈15°角放置能达到较好效果;升高温度可以提高除油率;过大的进水体积流量会降低除油率,控制在150 L/h左右较佳;增大进水中油的质量浓度在一定程度上可以提高除油率,但影响不大。在此工艺条件运行该油水分离器,除油率达到82%,表明该除油工艺有效可行,应用前景广阔。

等概率粗粒化LZC算法在降水变化复杂性研究中的应用

区域水文过程复杂性研究是一种新的研究模式,降水复杂性变化更是当前研究热点。运用等概率粗粒化的LZC方法,以红兴隆分局为例,对红兴隆分局辖区内10个农场逐月降水序列复杂性进行诊断,运用GIS技术绘制降水复杂性空间分布图。结果表明:八五三农场降水复杂性最高,八五二农场次之,五九七农场最低。进一步分析表明,降水是当地地下水埋深复杂性变化的主导影响因素之一。研究成果揭示了当地降水复杂性演变特征,为区域降水、地下水埋深准确预测及水资源合理优化配置提供了科学依据。

改性陶瓷滤球粗粒化装置处理油田废水试验

采用改性陶瓷滤球粗粒化装置处理油田废水的试验结果表明,在进水油的质量浓度为700～900mg/L时,该装置对油的去除率可达到90%以上,且有明显的油珠聚结现象。与传统的粗粒化装置相比,这种装置具有截污量大,周期长,无需投药等特点。该装置处理过的油田水大大降低了含油量,减轻了后续工艺的负荷,能够满足低渗透油藏对回注水水质提出的更高要求。

不同映射中心的PMMA粗粒化分子动力学模型

建立了基于分子动力学的聚合物粗粒化模型,用于从介观尺度分析聚合物在微纳通道内的流动状态。首先,采用Materials Studio软件构建了全同异构的聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)全原子模型,并基于该模型建立了不同映射中心的粗粒化初始模型。对全原子模型进行结构优化和动力学分析,获得了体系的势能统计规律,并采用高斯拟合函数与玻尔兹曼变换方程得到粗粒化力场的初始参数。随后,根据键伸缩势、键弯曲势、非键结势等各项势能的相对强度和相互影响关系,依次迭代并修正力场解析式,获得优化后的粗粒化模型。最后,统计了粗粒化模型中的均方末端距和均方回转半径等静态特性,并与全原子模拟进行对比验证,结果显示二者之间的相对偏差分别为0.68%和6.6%。研究结果表明,映射中心的选取对模型参数有较大影响;优化后的粗粒化模型能很好地吻合全原子模拟下的统计规律,能用于分析和解释纳注射成型中的流动传质问题。