不同润湿性修饰石英吸附甲烷的模拟研究

润湿性是油气藏储层岩石的重要基础参数之一,其特征直接影响流体在岩石孔道内的微观分布和宏观分布特征。从微观层面认识页岩气与矿物的相互作用是深入理解页岩气赋存状态的基础。采用分子模拟研究了甲烷在不同石英模型中的吸附行为,考察了不同晶面、亲水与亲油官能团修饰模型对甲烷吸附的影响。研究结论表明,不同晶面模型中,（100）面的吸附量大于其他晶面的吸附量;甲烷在亲油修饰模型中的吸附量大于亲水修饰模型的吸附量;两种修饰模型吸附量均随着压力增加而增加,随温度的升高而减小,且温度对吸附量的影响小于孔径的影响;相同条件下,润湿性修饰模型的吸附量远大于无润湿性修饰模型的吸附量;1 nm修饰模型中甲烷只在壁面处形成吸附层,而2 nm修饰模型中形成多个吸附层。     

盐水液滴在砂岩表面润湿性的分子动力学模拟

采用分子动力学模拟方法研究NaCl对水滴在砂岩表面的微观润湿行为的影响。结果表明:NaCl能降低水对砂岩表面的润湿程度,强亲水的砂岩表面随NaCl质量分数的增大向弱亲水转化;水的润湿角随NaCl质量分数的增加而增大,在NaCl质量分数大于19.6%时则几乎不发生变化;粒子间的结合能垒远大于解离能垒,引起水分子聚集在Na+、Cl-周围而增强了盐水液滴的聚集能力,导致润湿角的增大;砂岩表面对水的相互作用能随着NaCl质量分数的增加而减少,但在质量分数大于19.6%时吸附能的变化不大,与润湿角的变化趋势一致。     

基于分子动力学模拟的钙基蒙脱石表面润湿性研究

蒙脱石作为土体中主要的黏土矿物之一,其表面的润湿性对土体膨胀机制有着重要的影响。目前已有大量的研究对蒙脱石的亲水性进行了分析,但原子尺度的润湿机制仍有待探究。以钙基蒙脱石为例,基于分子动力学模拟计算了水分子在其表面的接触角,并结合原子的径向分布函数和密度分布特征分析了水分子在钙基蒙脱石表面的润湿性。结果表明：在300 K温度下,水分子在钙基蒙脱石表面的接触角为18.03°,计算结果与前人的试验数据一致性较好;Ca-O水和Ca-H水的径向分布函数都呈现出双峰特性,而Ca-O水的第一峰位更早出现,说明水中的氧更倾向于与钙离子结合形成水合钙离子;在表面离子产生的静电场作用的诱导下,表面水中的氧原子密度分布曲线呈现多个明显的峰,形成了有序的水化分层结构,进而导致蒙脱石表面呈现出明显的亲水性。研究结果可为进一步阐明蒙脱石吸水后引发的土体膨胀破坏和水土流失等现象提供理论依据。     

硫组分在孔雀石层间吸附行为的分子动力学模拟研究

为深入研究孔雀石硫化过程中硫组分在层间的吸附行为,采用分子动力学模拟从微观角度对硫离子在孔雀石(-201)面吸附的运动轨迹、空间排布及相互作用等进行分析。研究结果表明：孔雀石表面和层间的硫化反应是快速的,且是同时发生的;硫组分的吸附呈现出明显的分层现象;硫组分可以与孔雀石结构的铜原子发生化学作用生成铜硫化合物;硫组分体现出较高的流动性,其自发地向垂直方向扩散和移动。综上所述,本研究从分子尺度证实了孔雀石硫化过程中插层硫化的发生,为孔雀石的高效回收提供了参考。     

吸附诱导表面应力的分子动力学模拟

应用分子动力学方法结合镶嵌原子势,模拟研究了同质吸附Cu/Cu(100)和异质吸附Al/Ni(100)纳米薄膜中的吸附诱导表面应力.结果表明吸附原子对表面应力的影响主要源于两种原子间的相互作用;吸附原子和底物表面原子的结合将导致底物表面原子之间的化学键的强度减弱和平衡键长增加,从而导致表面压应力增加;吸附原子之间的相互作用也导致表面应力的变化,吸附原子间的吸引作用导致表面拉应力,而排斥作用导致表面压应力.这两种原子间相互作用所引起的表面应力与吸附原子的密度密切相关,吸附原子与底物表面原子的结合所引起的表面应力的大小与吸附原子的密度成线性关系,而吸附原子间的相互作用所引起的表面应力与吸附原子密度间呈非单调的依赖关系.     

控温方式对甲烷自扩散和局部结构影响 的分子动力学模拟

运用分子动力学模拟方法,通过设置两种控温方式(Andersen和Berendsen),研究了甲烷在较宽温度和压力范围的分子自扩散系数和配位数.结果表明,采用Andersen控温方式得到的甲烷自扩散系数与文献实验值相差甚远,而以Berendsen控温方式得到的甲烷自扩散系数与文献实验值较吻合,并且两种控温方式得到的甲烷平均配位数相差较小.因此,应采用Berendsen控温方式对甲烷的自扩散行为进行分子动力学模拟研究.     

Si在Si（111）表面吸附过程的分子动力学模拟

利用Tersoff半经验多体相互作用势和分子动力学模拟方法研究了荷能的硅原子在Si(111)表面的吸附过程.对100K时,初始入射动能分别为5,15,25,30eV的硅原子从6个不同位置轰击Si(111)表面进行了模拟,观察到了硅原子在Si(111)表面形成的吸附结构,并讨论了不同入射位置和入射能量对吸附结构的影响.结果表明,硅原子相对于表面不同的局部构型发生不同的碰撞过程,而硅原子入射能量的提高有利于成键过程的发生,从原子尺度模拟了沉积机制.     

甲烷水合物热导率分子动力学模拟及分析

采用平衡态分子动力学方法模拟分子甲烷水合物导热性能,结合声子态密度分析甲烷分子和水分子间的能量耦合过程;探究范德华相互作用对热导率温度相关性的影响。结果表明:热导率随着甲烷分子和水分子间范德华相互作用的增强而增大。相互作用的增强令甲烷分子的振动峰值向高频区域移动,使得甲烷分子与水分子间的振动耦合作用增强,VDOS匹配程度增加,进而增大了甲烷水合物的热导率。高温下的温度相关性归因于弛豫时间声子的出现导致的非弹性散射,低温下主要受到光学声子模式和低频声子的约束影响。模拟的热导率的温度依赖性与实验结果吻合较好。     

受限在纳米水环境空间中的甲烷分子

运用分子动力学模拟方法,研究了甲烷与水受限在碳纳米管中的一些性质.计算机模拟发现水分子和甲烷径向密度的非均匀分布.根据径向密度分布情况,将碳纳米管中的甲烷与水分层,分别计算了甲烷分子与水分子的扩散系数和平均氢键数.模拟结果表明:受限在碳纳米管内部中的甲烷趋向在管壁积聚,但当甲烷浓度较高时,发现在碳纳米管中央有部分甲烷分子积聚.     

蛋白质和带电聚合物刷吸附行为的分子动力学模拟

通过分子动力学模拟了蛋白质与带电聚合物刷的吸附过程,研究了蛋白质带电密度、聚合物链的吸附密度,以及盐溶液对吸附的影响.模拟验证了实验结论:蛋白质产生吸附的条件,首先是其表面带电密度要足够大到在其表面产生离子凝聚,其次聚合物链的吸附密度要使得带电聚合物刷处在最有利于吸附产生的渗透区域,而随着盐离子的加入,吸附的蛋白质开始释放.     

水溶液中石墨烯剥离的分子动力学模拟

通过分子动力学模拟方法研究柔性石墨烯在水溶液中剥离的热力学机制。为了表征石墨烯与水溶剂之间的相互作用,研究了石墨烯周围水溶剂的结构性质;通过施加外力的方法剥离石墨模型中最外层的石墨烯,计算剥离过程中体系自由能的变化,并对剥离过程中微观结构变化以及石墨烯周围水溶剂结构性质进行分析。结果表明:石墨烯与水之间的相互作用较小;剥离石墨烯需要克服一定的能垒;石墨烯之间的相互作用决定了自由能能垒的大小,溶剂诱导的贡献对剥离起到促进作用;受限区域内的水溶剂分子对剥离起到重要的作用。     

纳米尺度水薄膜液-气相变分子动力学模拟

采用分子动力学模拟,研究了纳米尺度水薄膜厚度和系统温度对液-气相变蒸发率的影响.模拟了水薄膜厚度为2nm时,温度(375~425K)对相变蒸发率的影响;同时模拟了温度400K条件下,水薄膜厚度(2、3、4nm)对相变蒸发率的影响.结果表明:相同水薄膜厚度下蒸发率随着温度的升高而增大,相同温度下蒸发率随水薄膜厚度的增大而增大,蒸发率随时间呈指数形式递减.相关结果可为微热管及其他依靠内部液体相变传热的散热器件设计提供参考.     

铁基换热面CaCO3析晶污垢结合力分子动力学模拟

为了研究腐蚀产物Fe2O3在污垢与换热表面相互作用时的作用机理,采用分子动力学(MD)方法模拟了Fe和Fe2O3吸附方解石(1-10)晶面的体系,并且对2个体系进行吸附过程的平衡处理,通过计算2个体系吸附后的各种能量推导出吸附结构中结合能的大小,将Fe和Fe2O3吸附方解石(1-10)的2个体系的结合能进行了比较。计算结果表明:Fe2O3吸附方解石(1-10)晶面的结合能要比Fe吸附方解石(1-10)晶面的结合能高,同时,径向分布函数的计算也进一步证明了该结果。该理论计算得出,Fe的腐蚀产物Fe2O3吸附的污垢比Fe吸附的污垢更难以清理。     

纳米粒子介电泳的分子动力学模拟

为研究微流体环境下纳米粒子的介电泳现象并分析其介电泳特性,采用非平衡态分子动力学方法对纳米胶体粒子及其周围溶剂粒子进行建模.介电泳模拟之前,通过对系统能量和温度的趋衡过程进行模拟,使纳米胶体所处的微流体系统达到稳定状态,并得出系统能量以及温度变化过程的趋衡图.对纳米胶体模型施加非均匀电场,使胶体电偶极化.变化非均匀电场强度,研究胶体模型失效的一般规律.发现随着非均匀电场强度的增加,小离子有不断脱离大离子表面的趋势,胶体模型失效的临界电场强度参数为Eo=15s/(eó).此外,对不同极性的纳米胶体的介电泳现象进行模拟,发现在正介电泳情况下,胶体的电偶极距不断增大,且电偶极距大的胶体有较大的介电泳速度和位移.     

聚合物阻垢机理的分子动力学模拟研究

为了研究聚羧酸类阻垢剂分子的阻垢性能,采用分子动力学方法模拟了方解石（110）晶面加入聚丙基-丙烯酸甲酯（PPA）分子后晶面与CO3^2-和Ca^2＋的相互作用。计算结果表明,加入PPA后方解石晶面对游离态CO3^2-和Ca^2＋离子结合能明显小于加入PPA前,说明PPA分子阻止了CO3^2-和Ca^2＋在方解石晶面的吸附。同时,对两种体系下CO3^2-离子的动力学行为的分析结果也证明了PPA的阻垢能力。相互作用后PPA分子发生了一定的形变,并且其中部链基变化比两端大,说明中部链基的阻垢能力比较强。     

瓦斯流动的分子动力模拟中势函数的研究

势能函数作为分子动力模拟的重要问题,它的选取及求解成为这一研究的热点．探讨了分子动力模拟中所涉及的一系列势能函数,选取了所研究的煤层瓦斯流动分子动力模拟所需要的势函数,并根据临界常数法求取了此函数所涉及到的势能参数。最后计算出一个甲烷分子与截断半径处另一分子之间的L-J势能,为后期的模拟研究奠定了基础。     

不同浓度表面活性剂聚集形态的分子动力学模拟

用分子动力学的方法,模拟了十三烷基甲苯磺酸钠在不同浓度下油水体系的胶团形状,发现在临界胶团浓度以上,随浓度的增加,依次自发形成从球状胶团、棒状胶团、层状胶团到反胶束结构的各种聚集体。并用扩散系数数值与直观模拟结果相对应,发现扩散系数能很好地表征表面活性剂溶液的自组装情况。