脱氧核糖核酸柔性的分子动力学模拟:Amber bsc1和bsc0力场的对比研究

脱氧核糖核酸(DNA)的结构柔性对DNA生物功能的实现具有重要作用,全原子分子动力学模拟是一种研究DNA结构柔性的重要方法.DNA的分子动力学力场在Amber bsc0基础上有了进一步的发展,即Amber bsc1.本文采用基于最新bsc1力场和先前bsc0力场的分子动力学模拟对DNA的宏观柔性和微观柔性进行对比研究,发现力场的改进对DNA宏观柔性参量的预测有一定改善,即所预测的拉伸模量和扭转-伸缩耦合比与实验值更为接近,而弯曲持久长度和扭转持久长度两种力场结果皆与实验值一致.微观分析发现,除了滑移量稍变大,bsc1力场得到的微观结构参量如扭转角和倾斜角与实验值更为接近,且新力场下DNA宏观柔性的改善与DNA的微观结构参量及其涨落紧密相关.     

纤维素、木质素含量对生物质热解气化特性影响的实验研究

本文采用化学方法测定了六种生物质中纤维素和木质素的含量,通过热重研究了实际生物质及用纤维素、木质素按一定比例混合模拟生物质的热解和气化特性,并结合电子扫描电镜(SEM)对焦样进行了微观形貌分析.结果表明:在本文所选择的生物质中纤维素的含量高于木质素,两者一般在55%～85%和10%～35%.生物质热解分为纤维素热解和木质素分解两个阶段,应于气化过程中挥发份析出和焦炭气化.在热解过程中,首先纤维素发生热解呈现快速失重过程,接着木质素缓慢热解.实验发现生物质中纤维素含量越高,热解反应速率就越大;反之,木质素含量越高,热解反应速率越小.通过对焦形貌与气化研究,发现气化特性与生物质中纤维素和木质素的含量有着密切联系.因此纤维素、木质素含量是影响生物质热解气化特性的重要因素之一.     

基于TG-FTIR的杨木热解过程中脲醛树脂影响机理的模型物研究

热解是废弃人造板高效回收利用的方式,人造板中所含胶黏剂是其不同于生物质的主要特征。为了有效环保地利用热解技术处理废弃人造板,解明人造板热解过程中其所含脲醛树脂胶黏剂(UF)对木材热解特性的影响,深入探索UF对人造板中木材各组分的作用机制,以杨木及木材的三种主要组分(纤维素、半纤维素、木素)为研究对象,创新性地依据杨木的化学组成,以纤维素、木聚糖和木素配制成模型物,并加入UF模拟人造板的构成。利用热重红外光谱联用(TG-FTIR)分析法,对比分析了加入UF前后模型物以及杨木各主要组分的热失重特性及气相演变规律。热重及红外结果表明,UF促进了纤维素热解过程中水和羧酸类物质的生成。UF与木素结合生成热不稳定的含氮结构,释放大量氨气,并且在200～300 ℃区间内参与了木素的热解并直接影响木素热解产物的生成。由此推测,在人造板热解过程中,木材三种主要组分中与UF作用的主要成分是木素。     

外力场对冷凝过程影响的分子动力学模拟研究

固壁表面发生的冷凝过程在工程应用中广泛存在,本文采用非平衡分子动力学模拟方法对高温蒸气在低温壁面上发生的冷凝过程进行了模拟研究.着重对该过程中的密度和局部温度等热力学参数分布进行了研究.同时,考察了两种气固温差条件下,壁面内、外法线方向上,不同强度的外力场对冷凝过程的影响,得到了结论:外力场是壁面内法线方向时促进冷凝进行,反之则阻碍冷凝进行,力场强度越大则影响效果越显著;当外力场一定时,气固温差越小,则外力场的相对影响程度越大.     

激光诱导HF酸刻蚀后熔石英后表面划痕的损伤行为研究

用光学显微镜和原子力显微镜记录HF酸刻蚀后熔石英元件后表面划痕的形貌结构,并利用单脉冲激光对其进行辐照测试,以研究不同结构参数划痕的激光损伤特性.实验结果表明,由于HF酸的腐蚀钝化作用,划痕结构横向截面呈余弦形分布;其初始损伤阈值并非由单一的划痕宽度或深度参数决定,而是与其横向剖面结构的宽深比值密切相关;通过实验得到了二者之间的关系曲线,并采用时域有限差分算法对不同结构参数划痕附近光场分布进行理论模拟,理论场计算得到的增强结果与实验值符合得很好.     

基于三端口网络模型的折叠波导行波管注波互作用理论研究

将周期性慢波结构中的单元结构等效为一个三端口网络,利用高频结构模拟软件确定等效模型的参数,由此建立了一种通用的慢波结构等效模型.该方法不需要进行复杂的电路等效,直接由高频软件得到通道内场分布,因此较解析方法简单,又不像等效线路模型那么烦琐.基于该三端口网络模型,建立了适用于折叠波导行波管的一维注波互作用非线性理论模型,编写了数值计算程序,对一支折叠波导行波管进行了模拟.该理论模型模拟的结果与实验结果误差小于10%.该理论模型可以用于指导新型折叠波导行波管的设计及非线性模拟研究.     

模型化合物氮的热解释放及N2转化特性研究

用纤维素和8-羟基喹啉在高压反应釜中合成出物理性质、化学结构及氮的官能团结构与原煤都很接近的模型化合物,利用携带流反应器实验研究了模型化合物氮在热解过程中的转化,并重点关注燃料氮向N2的转化规律.结果表明,实验条件下模型化合物快速热解的主要气相含氮产物有三种:HCN、N2和氮氧化物,其中N2所占的比例最大,是模型化合物热解的主要含氮产物.温度及矿物质对N2的生成有重要影响,实验条件下,当温度低于1000℃时, N2的释放特性变化不大,但是当温度达到1100℃后,燃料氮向N2的转化率显著增大.添加金属矿物质可以明显改变热解过程中燃料氮向N2的转化特性.     

β-HMX晶体单轴压缩及绝热压缩的分子动力学模拟

采用COMPASS(Condensed-Phase Optimized Molecular Potential for Atomistic Simulation Studies)力场,对β-HMX晶体的单轴压缩进行了分子动力学模拟,压缩方向分别垂直于β-HMX晶体的(100)、(010)和(001)晶面。模拟结果表明,垂直于不同晶面的单轴压缩得到的状态方程不同,显示出β-HMX晶体单轴压缩的各向异性。利用NpH系综对β-HMX晶体进行了绝热静水压缩模拟,得到的绝热静水压缩线处于等温静水压缩线的上方,与实验结果更加吻合。绝热压缩下,体系温度升高,各压力作用下体系温度的模拟结果与理论计算得到的冲击温度比较接近,说明COMPASS力场和NpH系综适用于模拟β-HMX晶体的绝热压缩。利用分子动力学方法模拟炸药的绝热压缩,可以预估炸药的冲击温度。     

微观结构对膜换湿能力影响研究

对多孔膜换湿过程进行了理论分析,得到了透湿量和湿阻的计算式.同时对三种膜包括PVDF,PES和纤维素膜进行了湿阻的测量实验,通过对实验数据的回归处理,得到了多孔膜的结构参数.结果表明,膜厚、孔径分布、孔隙率及曲折因子对膜的换湿特性都有较大影响,在平均孔径相同的情况下,其它因素仍然导致了不同膜换湿能力的较大差距。在所获得的结构参数基础上,通过数值模拟的方法研究了平均孔径对膜换湿能力的影响。结果表明湿阻随平均孔径的增大而减小,减小趋势逐渐平缓最后趋向一定值。     

Rytov相位结构函数二次近似和硬边光阑复高斯函数展开近似的验证

以受光阑限制的高斯光束在大气湍流中传输为例,用仿真程序数值模拟方法和实验方法对用Rytov相位结构函数二次近似和复高斯函数展开法得到的解析结果(如光强分布、二阶矩束宽、桶中功率和β参数)进行了比较验证.研究表明,解析结果与数值模拟结果和实验结果基本吻合.此外,对用不同研究方法所得结果的差异给出了合理的解释.     

纤维素和甲醇共催化热解制备对二甲苯

本文对纤维素和甲醇在不同金属氧化物改性的ZSM5催化剂作用下共催化快速热解实现一步制备可再生对二甲苯的过程进行了研究. 结果表明,镧改性的ZSM5催化剂是生产生物基对二甲苯的有效催化剂. 对二甲苯的选择性和产率主要由催化剂酸性、反应温度和甲醇含量决定. 在20%La₂O₃-ZSM5(80)催化剂作用下,纤维素与33wt%甲醇共催化快速热解获得对二甲苯的最高收率和对二甲苯/二甲苯的最高比率分别为14.5 C-mol%和86.8%. 本文详细研究了催化热解过程中催化剂的失活,基于产物的分析和催化剂的表征提出了由纤维素制备对二甲苯的可能反应途径.     

AFM针尖-测试面接触分子动力学研究

针对AFM针尖-测试面的接触问题,利用分子动力学模拟针尖同测试面间的"跳跃粘附"和"颈缩分离"过程;分析接触力同接触间隙的关系及测试面压力分布;发现分离过程滞后粘附过程;得到接触力大小只与接触区域附近少数原子层有关,且接触区域近处原子受压力、远处受拉力的结论;讨论测试面位错半径同接触力和接触间隙的关系.     

粉末高速压制成形过程中的应力波分析

应用离散单元法,模拟了粉末高速压制成形过程中的压力传播过程.根据粉末高速压制成形的工艺特性,把一次压制过程分为弹性加载、塑性变形、弹性卸载三个阶段;基于离散单元法的基本理论,分别建立了三个阶段的控制方程;应用PFC2D软件对粉末高速压制过程模腔内部颗粒的运动状态进行了数值模拟,给出了压坯内部的压力分布,得出了实验中无法测量的压坯内部应力传播波形.数值模拟结果显示,压力作用曲线表现出明显的弛豫现象,形成了倾斜度不同的锯齿状加载波形和卸载波形,压坯底层的应力波与实验得到的应力波相符. 关键词： 高速压制成形 离散单元法 接触模型 应力波     

纤维素热解过程中活性纤维素的生成研究

热重分析发现活性纤维素的生成始于530 K左右,对应于失重图上的肩部及SDTA曲线中强烈的放热峰.在辐射加热闪速热裂解试验台上获取了一种可溶于水、高温下易分解、室温下呈固态且稳定存在的黄色中间产物.扫描电镜图片证明在热裂解初期纤维素经历了一个熔化和相互粘结的状态,产物的红外谱图证实了大量的羰基和羧基官能团的生成.高效液相色谱分析证明其主要成分是一系列聚合度不同的低聚糖,推断该低聚糖即为活性纤维素.     

基于TG-FTIR的圆柏心、边材热解研究

生物质热解是实现生物质废弃物有效处理及生物质材料高效利用的重要途径之一,因此对生物质热解过程及其机理进行研究具有极大的现实意义。木材作为一种来源广泛的可再生材料也是众多生物质热解原料中的一种,由于组成成分等多方面的差别,不同树种的热解特性具有明显差异。然而,同一种木材的心材与边材由于在组织构造、化学组成及其含量等方面有着明显不同,因此在热解特性和产物方面也存在一定的差异,该工作即对此进行深入研究。试验以心、边材区分明显的常见园林绿化物圆柏为试验材料,通过TG-FTIR联用技术分别得到其心、边材热解过程中的热重曲线和挥发分的红外光谱谱图并对其进行分析。结果表明,纤维素、半纤维素、木质素和抽提物含量对心、边材热解特性影响显著。由于圆柏心材半纤维素、木质素含量较高,在热解前期和热解后期具有比边材更大的失重率,而较高的抽提物含量则在一定程度上增加了其在反应中期的失重率,减小了该范围内心、边材失重率的差异;边材纤维素含量较高,因此其在300~380 ℃,失重明显,在DTG曲线中的最大失重速率也较高。在红外图谱中,心、边材热解所产生的挥发分种类几乎相同,但在数量上有差异,当热解达到最大失重速率时,所产生的挥发分明显增加,且整个过程中边材产生的有机酸类化合物更多,而心材相对产生更多的水和CO₂。     

Biomass pyrolysis mechanism for carbon-based high-value products

The utilization of biomass, the only carbon-bearing renewable energy source, is critical for environmental and energy sustainability as well as carbon neutrality. Pyrolysis is the efficient conversion of biomass to fuel gas, liquid oil, and solid char. It is necessary to understand the mechanism of biomass pyrolysis for valuable and efficient utilization. In this review, recent progress with respect to biomass pyrolysis properties, the pyrolysis process, and product upgrading strategies focusing on carbon-based high-value liquid fuels and carbon-bearing materials are summarized. First, the correlations between the pyrolysis behavior and biomass structure and process conditions are considered. The mechanisms of the biomass pyrolysis of hemicellulose, cellulose, and lignin as well as the potential effect of inorganic matter on biomass pyrolysis are discussed. Furthermore, the regulation and controlling strategies for the biomass pyrolysis of high-value products are outlined. Finally, the challenges and prospects are discussed in order to provide a comprehensive picture of biomass pyrolysis development, which is significant for the understanding of biomass pyrolysis and the development of biomass utilization technology.     

A reactive molecular dynamics study of NO removal by nitrogen-containing species in coal pyrolysis gas

Coal splitting and staging is a promising technology to reduce nitrogen oxides (NOx) emissions from coal combustion through transforming nitrogenous pollutants into environmentally friendly gasses such as nitrogen (N₂). During this process, the nitrogenous species in pyrolysis gas play a dominant role in NOx reduction. In this research, a series of reactive force field (ReaxFF) molecular dynamics (MD) simulations are conducted to investigate the fundamental reaction mechanisms of NO removal by nitrogen-containing species (HCN and NH₃) in coal pyrolysis gas under various temperatures. The effects of temperature on the process and mechanisms of NO consumption and N₂ formation are illustrated during NO reduction with HCN and NH₃, respectively. Additionally, we compare the performance of NO reduction by HCN and NH₃ and propose control strategies for the pyrolysis and reburn processes. The study provides new insights into the mechanisms of the NO reduction with nitrogen-containing species in coal pyrolysis gas, which may help optimize the operating parameters of the splitting and staging processes to decrease NOx emissions during coal combustion.