三维热带气旋的数值模拟及辐射对其影响的研究

本文首先构造了一个包括各种物理过程的三维原始方程模式,并用此模式成功地模拟了热带气旋的发展过程和结构。在此基础上,进一步用该模式研究了大气辐射过程对热带气旋发展的影响。辐射参数化过程包括太阳短波辐射与地气系统的长波辐射以及不同云种和云量的确定。研究结果表明,在热带气旋发展过程中,当包括辐射过程后,模式气旋发展得更早、更强,但最后达到稳定状态的强度则差别不大。在发展阶段,有辐射的模式气旋有更快的地面气压加深率,更强的低空最大风速和上升运动,更明显的眼区和眼壁等。所有这些结果都表明辐射过程对于热带气旋的初始发展和加深过程有相当重要的影响。     

环境流场影响下,台风发生发展的数值模拟

本文采用轴对称9层原始方程模式,模拟了环境流场影响下,台风发生发展的过程。初始条件中,没有采用作为CISK基本特征的起始地面平衡涡旋,而采用了流场的径向和切向风速为零、温度场和气压场是水平均匀的初值。但存在环境流场的影响,这种影响表现为有与实际观测值相同的对流层上层的气旋式动量的流入。在上述条件和25km网格尺度的凝结条件下,一个切向、径向风速的分布,台风眼、眼壁以及降水分布等特征都和观测结果非常相似的台风模式,得到迅速的发展。最后从模式的结果还进一步讨论了启动台风发展的物理本质。     

高分子在受限稀溶液中的结构和动力学性质

利用平衡态及非平衡态耗散粒子动力学模拟方法, 分别研究了平衡态和流场作用下受限高分子在稀溶液中的链结构和动力学. 采用没有滑移和密度涨落的边界条件模拟纳米管道环境, 进而研究了高分子回转半径和扩散系数对受限强度及高分子与溶剂间相互作用的依赖关系. 在非平衡态模拟中, 分别考虑了Poiseuille和Couette两种流场. 研究发现, 在这两种流场作用下, 高分子都随着溶剂与高分子排斥作用的降低而向管道中心迁移. 在强流场下, 在Poiseuille流场中高分子密度呈现出双峰分布, 而在Couette流场中则呈现为单峰分布.     

热带气旋逆时针打转异常路径的可能原因

本文用一个带有环境加热项和耗散项的正压准地转模式,实施了6组时间积分大于7天的数值试验。模式大气中,清楚地显示出热带气旋在移动过程中逆时针打转的现象。数值地研究了这种异常路径对计算区域的大小、热源扰动、初值扰动和迭代精度扰动的稳定性问题。认为该异常路径是模式大气中一种比较稳定的运动形态,最后分析了逆时针打转异常路径的可能原因。     

陆地气旋爆发性发展的动力学分析和数值试验

本文对1983年4月25—26曰一次华北气旋爆发性发展的过程进行了动力学分析和数值试验,结果发现,这次气旋发展是发生在强斜压区中,涡度平流和温度平流触发了气旋的初期发展。以后随着降水的增加,凝结加热作用愈来愈重要。在强烈加深时刻,加热剖面中的峰值不断下降,使下层加热量迅速增加,这导致旋转环流或涡旋的爆发性发展。经数值模拟进一步证实了加热峰值下降对气旋迅速发展的重要性。     

Levelset方法数值模拟单液滴传质中的Marangoni效应

用Levelset方法捕获界面建立了数值模拟变形单液滴萃取传质过程中Marangoni效应的控制方程。将浓度场和流场相耦合计算,数值模拟了变形单液滴传质中的Marangoni效应,描述了Marangoni效应的发生和发展过程,结果同Sternling ＆ Scriven的经典理论分析和前期数值模拟相吻合。     

基于分子模拟和光谱法分析漆酶与甲酚的相互作用

该文运用计算模拟与光谱法研究了甲酚与漆酶的相互作用。首先,计算模拟表明漆酶与3种甲酚同分异构体都能发生相互作用,分子对接研究结果表明漆酶与甲酚同分异构体能以氢键和疏水作用力相结合,且结合位点相似。通过分子动力学模拟比较漆酶结合甲酚前后残基的柔性差异,验证了分子对接结合位点的可靠性。其次,选取计算模拟中结果较好的间甲酚,利用光谱法探究间甲酚与漆酶的荧光猝灭机制及结合前后漆酶二级结构的变化。荧光猝灭实验证实漆酶与间甲酚间是形成非荧光复合物的静态猝灭,与分子对接结果一致。红外光谱研究结果表明,漆酶与间甲酚结合后二级结构发生变化,其内部的β-转角和β-反向平行结构向β-折叠、无规则卷曲和α-螺旋结构转化,这与分子动力学模拟结果相呼应。该研究为利用漆酶转化环境中甲酚污染物提供了理论基础与数据支持。     

南亚夏季风槽脊和热带气旋的活动与移动性CISK波

MONEX资料的分析表明,南亚夏季的季风槽脊有30—50天的周期振荡现象和缓慢的向北移动;季风槽中的热带气旋又有向东频散能量的现象。基于引入了基本气流垂直切变的CISK模式,本文得到了一种缓慢移动的CISK波。在南亚夏季风状况下,这种CISK波向北的经向速度约为每天0.6纬度,振荡周期约为34天;考虑到对流层低层平均西风对扰动能量的影响后,CISK波将向西北移动,而能量向东传播。这些理论结果同MONEX资料分析相当一致。因此,垂直切变基本气流通过CISK机制产生的CISK波极可能是南亚夏季风槽脊和热带气旋活动的重要驱动机制。     

真空条件下β-环糊精和对-甲基苯酚包结物动态结构的分子动力学模拟

本文报道了真空状态下主体β-环糊精和客体对-甲基苯酚形成的包结物在一定时间间隔内动态微观结构的分子动力学模拟结果。研究表明，对-甲基苯酚在环糊精腔内的运动具较大的自由度，但由于存在范德华作用，其运动受到一定的限制，同时通过计算观察到包结前后主客体的某些微观结构和性质发生了较为明显的变化。本文还给出了计算得到的主客体包结物的时间平均构象。     

Y220C突变体影响p53C蛋白质构象转换的分子动力学模拟

p53是迄今发现突变频率最高的一种肿瘤抑制蛋白质,突变会导致p53抑癌功能丧失并诱导癌症的发生。绝大多数的突变发生在p53的核心DNA结合区域（p53C）,其中Y220C是研究较多的一种突变体。虽然已有研究表明该突变能够降低p53C的结构稳定性,但其影响p53C构象转换的分子机制尚不清晰。本文利用分子动力学（MD）模拟方法研究了p53C突变体Y220C（p53C-Y220C）的结构变化,发现Y220C突变主要影响Y220C cluster区域（包括残基138-164和215-238）,且Y220C突变减少了Y220C cluster的β-折叠含量。进一步分析发现,Y220C突变不仅直接破坏突变氨基酸与周围氨基酸Leu145和Thr155之间的氢键,而且降低了Y220C cluster区域的折叠片S3和S8之间的氢键数量,使Y220C突变所形成的亲水性空腔变大,加速了水分子进入该蛋白质内部,并最终导致了p53C-Y220C变性。MD模拟结果揭示了Y220C突变影响p53C结构转换的分子机制,该研究对p53C-Y220C突变体高效稳定剂的筛选和设计具有重要意义。     

强制液体外循环气升式环流反应器中内环气含率分布

在常规环流反应器基础上,将液体强制外循环并采用中心下料管和环管式气体分布器结构,该反应器主体(φ0.284 m×3.0 m)是有机玻璃制成的.采用空气-水气液两相体系以考察气体速度和外循环液体速度对内环气含率轴径向分布的影响.实验结果表明,内环局部气含率和轴向平均气含率均随表观气速和外循环液速的增大而增大;在不同的轴向位置,内环气含率的径向分布特性有所差异,其原因是由研究所采用的特殊反应器结构所致;内环轴向平均气含率先随轴向高度的升高而增大,在离开导流筒后略有降低.在此基础上采用商业软件ANSYS CFX10.0对该反应器进行数值模拟.模拟结果表明,装置的非轴对称导致内环气含率呈非轴对称分布特性;截面平均气含率在分布器上方出现骤然增大,由于下料管液流的影响在其下方出现一个相对低点,这对实验研究起到了补充作用.因此,对于新型反应器的研发,可采用实验与模拟相结合的策略.     

模拟气固两相流动非均匀结构的颗粒运动分解轨道模型

针对气固两相流动具有稀密两相非均匀结构的特征 ,将两相流动中颗粒的运动过程进行分解 ,分别处理颗粒 颗粒及颗粒 流体间的两种作用 ,并对影响模拟真实性的空隙率计算提出新的算法 ,从而建立了接近于真实系统的离散型颗粒运动分解轨道模型 .该模型对气固流化床中典型的非均匀结构———鼓泡与节涌现象的模拟结果较已有工作有明显地改进 ,对于气泡破碎方式的模拟也与实验结果吻合 .研究结果表明 :颗粒运动分解轨道模型能够真实地模拟鼓泡流化床中的非均匀流动结构 ,并具有模拟图象真实、算法简单、适用面宽、计算量少的优点 .     

吸附剂结构的计算机辅助设计及吸附机理

以琼脂糖凝胶为载体, 二甲胺为配体, 制备了β-OH, γ-OH和β-SH吸附剂. 通过对水相中内毒素的动、静态吸附探索有效的吸附剂结构. 研究结果显示, 吸附剂对内毒素的清除率随配体结构的不同呈现出较大差异, 其中β-OH吸附剂的清除效果最好, 达到90.7%. 运用计算机模拟方法提出了β-OH吸附剂与内毒素作用的模型, 阐明静电力是影响吸附性能的主要因素, 同时氢键的协同和空间位阻效应也不可忽视.     

质子化作用对Aβ1—16单体结构特征和聚集机理的影响

利用副本交换分子动力学模拟研究了Aβ肽(β-Amyloid peptide)N末端部分Aβ1—16单体在pH为7.0,6.3及5.5水溶液状态下的结构特征以及聚集机理.通过建模确定了不同pH状态下Aβ1—16肽链的质子化位置(残基),通过模拟比较了不同酸性溶液状态下Aβ1—16单体的结构和能量变化.结果表明,在中性条件下,Aβ1—16单体保持自由卷曲结构,而在酸性状态下,其结构由最初的无序状态向有序状态转变,模拟过程中β-折叠结构会间歇性产生,预示着单体可以发生自聚集现象.本文所得结论,即酸性状态下的Aβ1—16单体质子化位及模拟过程中的结构变化,可用于酸性状态下金属离子与Aβ1—16可能的残基结合位及结合数量的有效预测和评估.     

残基突变对P53-DNA结合域肽段构象影响的分子动力学模拟

基于分子动力学模拟方法研究了R249S、R248W 和G245S 突变对P53-DNA 结合域肽段(残基230-258)结构的影响. 采用GROMACS 软件包和GROMOS 43A1分子力场, 分别对野生型wtP53肽段、单点突变型P53-R249S肽段、两点突变型P53-R249S/R248W肽段和三点突变型P53-R249S/R248W/G245S肽段进行了4组独立的分子动力学模拟, 每组体系模拟时间为500 ns. 研究结果表明: R249S单残基突变影响肽段残基形成二级结构的情况, 但不改变肽段三维结构的模式, 同时使该肽段结构相对稳定; R249S和R248W两残基同时突变会加剧R249S突变对肽段的影响, 同时导致三维结构发生较大变化, 构象弯曲呈现双turn 结构, 肽段稳定性进一步增大; G245S突变对肽段的影响与R249S和R248W同时突变对其结构的影响相反, 在两残基突变的基础上, G245S突变会使原突变引起的变化减弱甚至消失, 同时使得该肽段结构稳定性减小. 该研究对认识肿瘤致病分子机制和设计新药物有重要意义.     

突变对嗜热古菌蛋白[P62A]Ssh10b主链构象影响的核磁共振研究

嗜热古菌蛋白Ssh10b突变体[P62A]Ssh10b具有良好的热稳定性. [P62A]Ssh10b的结构测定结果显示, 其α2螺旋上残基K48和D51之间形成了一对盐键, 而且, 突变D51将影响蛋白的热稳定性. 为了探索D51的突变对蛋白热稳定性的影响, 构建了突变体[D51N/P62A]Ssh10b的质粒, 并获得了高纯度的15N和13C双标记[D51N/P62A]Ssh10b. 通过对异核三共振NMR实验数据的解析, 完成了对[D51N/P62A]Ssh10b的主链共振近乎完全的指认. 比较突变以及未突变蛋白质的主链1HN和15N化学位移, 在[P62A]Ssh10b的结构基础上进行分析发现, D51N突变显著地影响了α2螺旋骨架构象, 并进一步影响到古菌Lβ2α2loop区域、β4 的N端区域、Lβ3β4 loop的C端区域以及β3与Lβ3β4 loop的交界区域. 结果表明, 由于D51N突变破坏了α2螺旋上K48和D51之间的盐键, 影响了[D51N/P62A]Ssh10b的α2螺旋构象, 并影响到蛋白的其它相关部位的局部构象, 说明 [P62A]Ssh10b 的高热稳定性可能与其溶液构象密切相关. 为进一步运用NMR研究[D51N/P62A]Ssh10b分子结构特性与耐热机制间的关系奠定了基础.     

α－溴丙酸甲酯与β－环糊精衍生物手性识别过程的模 拟研究

应用分子动力学方法,模拟研究了α－溴丙酸甲酯分别与全甲基－β－环糊精(PMBCD)、七(2,6-二-O-丁基-3-O-丁酰基)-β－环糊精(DBBBCD)的手性识别过程。结果表明,α－溴丙酸甲酯对映体与PMBCD,DBBBCD的优先结合点位于环糊精空腔的内部,其对映体与所述环糊精的手性识别机理和形成腔内结合物有关;对映体在环糊精空腔内的结合并非传统意义上的紧密包合,对映体在腔内可以上下运动和转动;从对平衡构象的结构分析发现,所述对映体与环糊精衍生物的手性识别与葡萄糖单元的C(2),C(3)所提供的手性环境密切相关。而且,分子模拟方法得到的对映体保留顺序与气相色谱实验结果是一致的。     

剪切流场对ABA三嵌段共聚物囊泡形貌的影响

通过同轴圆筒剪切仪和磁子搅拌方式提供的剪切流场,研究了均匀和非均匀流场对ABA两亲性三嵌段共聚物囊泡的影响.研究发现,非均匀流场下囊泡尺寸及其分散度随剪切速率的增加呈现先增大后减小的规律.与搅拌形成的非均匀流场相比,在同轴剪切仪提供的均匀流场下形成的囊泡尺寸更加均匀.结果表明,剪切流场是影响囊泡形貌的重要因素,流场的不均匀性是导致组装体形貌结构多分散性的重要原因之一.     

界面诱导相分离和特殊相结构的生成

界面诱导相分离是由界面润湿效应所诱发的共混体系非平衡相变现象.本文评述了相分离体系薄膜在界面作用下所表现出来的相形态、相变动力学、润湿层形成机理以及空间维数受限条件下所呈现出来的特殊相结构等.同时着重介绍了针对此现象进行数值模拟的基于Cahn-Hilliard-Cook方程的理论模型以及相应的模拟研究进展.     

Slc11a2第六跨膜区在十二烷基磷酰胆碱胶束中的结构

采用圆二色谱和核磁共振波谱研究了Slc11a2第六跨膜区在十二烷基磷酰胆碱(DPC)膜模拟环境中的结构和定位.结果表明,Slc11a2第六跨膜区在DPC胶束中N端和C端各形成一小段α螺旋,两段螺旋中间通过高度灵活的区域连接,整个肽插入到DPC胶束中.H267A突变使螺旋长度变长,H272A突变使螺旋长度略有变短,突变后结构的变化可能和蛋白功能缺失相关.