一个基于UNIQUAC Gibbs自由能模型的液体表面张力方程

根据表面张力的热力学定义以及 UNIQUAC过量 Gibbs自由能表达式 ,推导出了一个新的两参数表面张力方程 ,σm=∑ixiσi -RT∑ixiqi∑jθjτji∑jθj τji A T,P,x该方程第一项为纯组分对液体混合物表面张力的贡献 ,第二项为不同组分间作用力的差异引起的过量表面张力。对于理想溶液 ,过量表面张力项为零 ,因此 ,混合物的表面张力等于各个纯组分表面张力的摩尔分数平均值。通过 90个二元体系和 1 5个多元体系表面张力的计算 ,对新方程的性能进行了测试 ,发现其对二元体系和多元体系计算的总平均相对偏差分别为 0 .4 4%和 1 .57%。结果表明 ,该模型计算精度高 ,公式简单实用 ,而且对各种体系具有广泛的适应性。

基于van der Waals状态方程的剩余自由能模型

结合 Wong- Sandler的混合规则 ,即在无穷大压力下剩余 Helmholtz自由能与无穷小剩余 Gibbs自由能近似相等的关系 ,给出了一个基于 van der Waals状态方程的剩余自由能模型 ,由此得到可以描述汽液相平衡的活度系数模型。通过对 35个体系的考核表明 ,该模型可以较好的关联实验数据 ,包括极性与极性物系 ,其结果好于 Wilson、Mar-gules、NRTL与 Uniquac等模型的计算结果。同时 ,因为该模型基于 Wong- Sandler的混合规则 ,因此可以实现在理想溶液中 ,由 Wong- Sandler混合规则到 van der Waals混合规则平滑过渡。

估算多种有机物的有机碳-水分配系数线性自由能模型

准确估算有机污染物的有机碳-水分配系数(Koc)对评价其环境归宿具有重要意义。广泛收集了文献中烷烃、醇类、胺类、苯酚类、卤代苯、多环芳烃及农药等十多类有机化合物(共214种)的实测lgKoc数据与分子结构参数(E、S、A、B、V),将数据集随机分为建模组与验证组。对建模组171种化合物采用多元线性回归方法建立了估算lgKoc的线性自由能模型(LFER)。模型的内部检验结果表明:预测值与实测值残差呈正态分布,留多法交叉验证相关系数为0.95,均方根误差为0.29,模型的显著性和稳定性较好。利用验证组43种化合物对模型进行外部验证,验证组化合物的实测值与预测值标准误差为0.26,证实了模型预测的准确性。最后,基于LFER模型,从分子间作用力的角度分析了有机物的吸附机理。空穴作用和色散作用是疏水性化合物被吸附的主要驱动力,空穴作用和氢键作用在极性化合物分配中起主要作用。

模拟退火算法在化学自由能模型中的应用

对化学自由能模型进行系统性的研究,着重分析化学反应动态平衡条件下粒子组分的求解方案,提出应用模拟退火算法寻找自由能密度函数极小值点的求解方案.该方案同时解决了两个难题:1)在一级相变区化学势平衡方程组可能遇到多个解而无法甄别其物理意义.通过模拟退火算法定位到自由能密度函数曲面的最低点,因而可从多个解中甄别出稳定的热力学平衡态.2)模拟退火算法用随机的"热涨落"消除初值敏感性,因而可采用同一套初值计算不同的温度密度点,为实现宽区域上大量温度密度点的连续快速计算奠定基础.作为该平衡态求解方案的应用,计算氦流体在"等离子相变"区的物态方程,揭示了丰富的"等离子相变"现象,并与第一性原理计算揭示的氢流体"液液相变"现象进行类比.

基于自由能变化的一种新的CA数值模型研究

基于晶体生长过程中的自由能变化,提出了一个新的模型来模拟枝晶生长。在新模型中,晶体生长由固-液界面处的自由能差来驱动,采用CA方法来跟踪新的界面单元。相对于KGT模型和溶质扩散型模型,该模型更加适合于难于寻找生长速度函数及生长过程基本无成分变化的晶体如金属间化合物等的微观组织模拟。新模型具有普适性。然后,基于新模型,构建了相应的算法并予以程序实现。在一个算法循环中,以当前计算单元为中心,同时考虑了计算网格中连续三层网格单元的状态-当前生长单元、生长单元的邻居单元、以及这些邻居单元的状态。计算结果与实际情况较为一致。

考虑磁畴偏转的无取向硅钢应力各向异性磁致伸缩特性模拟

无取向硅钢铁心的电磁振动是电机噪声的根本来源,采用夹件固定铁心可有效抑制其振动,但夹紧力施加不当会加剧铁心振动,原因为应力使无取向硅钢的磁畴取向发生偏转而引起磁致伸缩形变增大,形成应力各向异性。因此,为了获得准确的应力加载方法,需建立考虑磁畴偏转的无取向硅钢应力各向异性磁致伸缩模型。首先,求解自由能模型并计算能量极值点的分布,模拟无取向硅钢在磁场和应力作用下的磁畴偏转路径;其次,用磁晶各向异性能、应力各向异性能以及磁场能贡献的总和表示无磁滞磁化强度,将自由能模型与考虑磁滞的磁致伸缩模型相结合,通过无取向硅钢磁致伸缩特性测试获取模型参数并进行参数依赖性分析;最后,模拟应力与磁场作用下不同磁化方向的无取向硅钢的磁滞特性和磁致伸缩特性,通过仿真结果与实验结果的对比验证了该模型的准确性。结果表明,应力的增大会使无取向硅钢磁致伸缩应变值减小,同一应力下,磁致伸缩应变的大小会随磁化角度的增大而增大,该文所提出的应力各向异性磁致伸缩模型可以有效模拟此种变化规律。

压电复合悬臂梁非线性模型及求解

基于功能材料的复合悬臂梁涉及多物理场耦合,其本构关系的非线性影响悬臂梁的输出及控制精度,采用Helmholtz-Gibbs自由能关系建立压电材料的非线性本构模型。基于Boltzmann原理,该模型的内核函数由热能和Gibbs能量平衡决定。将模型与悬臂梁结构进行耦合,利用边界和初始条件导出压电复合悬臂梁的强解形式,并对强解进行弱化,采用Galerkin法对弱解进行离散化,利用三次B样条函数得到悬臂梁的数值解。研究结果表明,与已有文献的实验进行比较,所建立的压电材料非线性本构模型能够较好地预测复合悬臂梁的行为。

基于无限稀释活度系数模型的状态方程

发展了一种从纯物质的性质参数预测混合物汽液平衡的方法,它是以立方状态方程的过量吉布斯自由能 g^E结合型混合规则和无限稀释活度系数 MOSCED模型为基础,由MOSCED模型预测得到活度系数方程的相互作用参数,从而得到混合规则中的g^E,使得状态方程能在较大温度和压力范围内预测汽液平衡.用此法预测了含极性组分体系常压到较高压力的汽液平衡,结果良好,与UNIFAC基团贡献状态方程的结果相当.

基于格子Boltzmann方法的自由能密度模型

基于格子Boltzmann方法的多相流模型具有相界面自动演化、无需边界积分等优势,在模拟复杂多相流系统中获得广泛的研究和应用。本文引入自由能密度计算分子间的相互作用力,提出一种满足热力学一致性和伽利略不变性的多相流模型。使用该模型预测气液两相共存密度的结果与理论值吻合得很好,误差值为-0.01~0.01,并且在低温度下优于改进的伪势模型。同时该模型也可以模拟较大密度比的气液系统,液相与气相的密度比可达10^(7)以上。通过两相分离和液滴撞击液膜等一系列数值模拟,验证了该模型符合伽利略不变性。该模型物理清晰、易于实施,能够结合不同状态方程模拟多相流系统,具有较好的实用性和应用前景。

多相多组分Peng-Robinson流体的正则化格子Boltzmann方法研究及模拟

为了提高石油、天然气等能源的采收率,并最大限度地保护环境.需要对油藏储层内的多相多组分石油混合物的热力学性质和界面行为进行深入研究.Peng-Robinson状态方程被广泛应用于描述和预测烷烃类混合物的热力学性质.文章根据扩散界面理论和Peng-Robinson自由能模型,得到描述多相多组分流体热力学性质和界面行为的流体动力学方程组.该耦合方程组中的交叉扩散项和Peng-Robinson自由能模型的强非线性,给数值求解带来了极大的挑战.文章基于格子Boltzmann方法,针对每个组分的质量守恒方程,构建了带有多分布函数的正则化格子Boltzmann方法.针对势形式的动量守恒方程,构建了能有效降低两相界面虚假速度的正则化格子Boltzmann方法.通过Chapman-Enskog多尺度分析,能够准确恢复至耦合的流体动力学方程组.最后,通过一系列的数值实验,如气-液两相共存线,丙烷和戊烷、甲烷和乙烷共存时的相平衡状态等,验证所发展的多相多组分正则化格子Boltzmann方法满足还原一致性和热力学一致性,同时具有较好的数值稳定性.此外,该正则化格子Boltzmann方法能够有效消除两相界面处的虚假速度,并能准确刻画多相多组分流体的热力学性质和界面行为.

基于FPGA的存储优化的细粒度并行Zuker算法加速器研究

RNA二级结构预测是生物信息学领域重要的研究方向,基于最小自由能模型的Zuker算法是目前该领域最典型使用最广泛的算法之一.基于FPGA平台实现了一种细粒度的并行Zuker算法,采用按矩阵列循环划分的任务分配策略实现了处理单元间的负载平衡;采用数据预取、滑动窗口和数据传递流水线实现了处理单元间的数据重用;采用曲线拟合、离散点赋值和地址空间压缩编码等策略减少了约85%的自由能参数存储需求.在单片FPGA上集成了由20个PE构成的主从多PE线性阵列,实验结果表明与运行在AMD四核9650处理器上的ViennaRNA-1.6.5程序相比,可获得超过18倍的加速效果,并且FPGA加速器功耗仅为通用微处理器平均功耗的1/5.

一个非局部组成型活度系数方程

根据前文提出的液体混合的通用Gibbs自由能模型,导得了一个两参数非局部组成型活度系数方程.它适用于各种小分子液体混合物和高分子溶液,并能由二元参数预测多元系汽液平衡.对小分子液体混合物的泡点计算结果表明,除了醇/烃系统外,计算准确度不逊于局部组成型活度系数方程.它对高分子溶液的适用性则明显地优于UNIQUAC等方程.

氢氘物态方程研究进展

针对近二十多年的氢氘物态方程理论研究工作进行了综述分析,结合本课题组改进的自由能模型、直接量子蒙特卡洛和量子分子动力学方法的模拟结果,对多个研究小组采用不同方法获得的氢氘宽区物态方程数据进行了定量评估分析。结果表明:在当前理论框架下,仅基于第一原理数值模拟得到的氢氘物态方程能够描述的热力学相空间有限;多模型集成的H-REOS.3数据库在105K以下温度与数值模拟结果的相对差别较大,且数据稀少,二者均不能满足工程应用需求。建议采用基于半经验模型的宽区域物态方程研究方法,即结合高精度的实验研究、数值模拟和解析模型,构建满足工程应用需求的氢氘宽区实用物态方程。

ZrO_(2)−CaO−TiO_(2)体系的热力学模拟

ZrO_(2)−CaO−TiO_(2)体系相图对光催化材料和耐火材料的发展至关重要。采用CALPHAD方法研究ZrO_(2)−CaO−TiO_(2)体系。亚正规溶体模型用于描述液相和固溶相,亚点阵模型用于描述三元化合物。然后,结合文献实验结果,利用最小二乘法得到热力学参数。应用本研究优化的热力学参数,计算1473和1673 K下ZrO_(2)−CaO−TiO_(2)的等温截面,实验和计算的相关系吻合很好,部分不匹配的实验点误差可归结于实验误差和氧化锆基材料的动力学缓慢特性。为了进一步证实该数据库的有效性,利用该数据库模拟CaZrTi_(2)O_(7)化合物的比热容、熵和焓等热力学性能,模拟得到的误差范围在5%以内。模拟结果表明,本次优化的数据库是自洽和可靠的。

变温场诱导相分离的格子Boltzmann数值模拟

相分离是环境条件发生变化导致原来混合流体分离出两相或多相的不稳定倾向和过程,是多相流研究的核心内容之一。本文采用自由能格子Boltzmann模型,将流体黏度与温度变化过程耦合,研究二元混合流体在温度变化条件下的相分离行为。

基于LBM的气泡聚并研究

针对伪势模型产生虚速度大,自由能模型不满足伽俐略不变性等不足,本文提出了复合的LBM模型,通过拉普拉斯定律验证模型的正确性,然后使用模型研究双气泡、四气泡的聚并现象,由实验可知复合模型产生的较小的虚速度,并且满足伽俐略不变性。

格子Boltzmann方法模拟气泡生长脱离

格子Boltzmann方法具有微介观的特性,能够自动捕捉和追踪界面,在多相流领域有广阔的应用前景。对于伴有气液相变的传热问题,格子Boltzmann方法已有模型较少,其中有一部分是通过质量变化间接反映相变过程,不能真实反映温度场的演化和影响。本文采用了模拟多相流动和分离的自由能模型,结合基于Stefan边界的相变传热模型,考虑壁面自由能对流体与壁面间润湿性的影响,模拟了静态接触角、过热壁面的气泡生长和脱离,并进行了更接近真实沸腾过程的随机生成气泡的模拟,以及流动沸腾的气泡生长和脱离的模拟。

气泡运动的格子Boltzmann方法数值模拟

运用一种双分布函数多相格子Boltzmann模型,对几种气泡运动进行数值模拟,并分析了模型本身。指出在使用模型进行分析计时应注意的一些问题。进一步对气泡上升过程中流场压力分布的分析,提出模型中浮力产生原理的假设,根据假设提出了计算气泡上浮时适当的引入浮力的方法。