密度泛函理论计算研究表面应力对钯催化乙炔选择性加氢活性与选择性的影响（英文）

在石油催化裂解过程中,除了生成乙烯、丙烯及丁烯等烯烃,还会产生部分炔烃.目前工业上通常采用炔烃选择性加氢转化为对应的单烯烃,以除去其中炔烃.由于产品烯烃中的炔烃等杂质含量需极低,这就对用于加氢催化剂的活性和选择性提出了很高的要求,即催化剂需要选择性吸附炔烃并加氢,而不损失其中的烯烃.经过前期大量的基础研究工作,目前工业中炔烃选择性加氢应用最广泛的催化剂是负载型钯基催化剂.然而,单独的钯金属选择性并不理想,因而对其选择性以及活性进行调控成为了当前关注的研究课题.本文采用密度泛函理论计算结合微观反应动力学模拟手段,研究了钯金属表面应力存在条件下的活性与选择性,以及形成次表层物种的可能性和形成后的活性与选择性.研究发现,改变钯金属的晶格参数与表面应力,反应物、表面反应中间体和产物的吸附能都会产生相应的变化,且吸附能与晶格参数的变化存在线性关系,晶格参数越大,吸附越强.利用表面反应过渡态能量与初始态能量之间的线性关系,相应的乙炔加氢生成乙烯的反应速率可以通过微观反应动力学模拟得到.结果显示,不同晶格参数的钯催化剂催化乙炔加氢生成乙烯的反应活性位于相应火山型曲线的强吸附侧,即减弱乙炔和氢的吸附强度可提高乙烯的生成速率.在此基础上,本文研究了不同表面应力的钯催化剂在次表面吸附不同覆盖度碳原子和氢原子的情况,发现晶格参数越大越有利于碳原子和氢原子在次表面的吸附.同时,研究发现在次表面碳掺杂的条件下,不同表面应力条件下的钯催化剂的活性均有所增强.此外,由于乙烯在所有研究的钯催化剂表面脱附比进一步加氢容易,因而乙烯都可以选择性生成.     

钛酸铅和钛酸钡振动性质及铁电相变的密度泛函理论研究

采用密度泛函赝势的方法, 研究了不同晶相的钛酸铅和钛酸钡的振动模式. 没有发现钛酸铅存在低温相变的证据, 而钛酸钡则存在四方-正交和正交-三角铁电相变. 振动频率随四方应变的变化关系表明, 随着四方应变的增大, 软模的频率增大, 在某一个临界点, 不稳定的软模转变为稳定的振模. 由于钛酸铅具有较大的四方应变, 使得其能够在四方相稳定下来, 而钛酸钡较小的四方应变是其仍能够发生低温铁电相变的一个重要原因.     

一氧化碳添加对甲烷/空气贫燃预混火焰的影响(英文)

通过对贫燃条件下(燃料与空气化学计量比φ=0.60-0.80)的甲烷/一氧化碳/空气火焰结构进行数值模拟,研究燃料中一氧化碳添加量对层流燃烧速度、氮氧化合物的排放以及熄火拉伸率的影响.随着燃料中一氧化碳添加量的不断增加,层流燃烧速度有所下降,这与燃料中加入氢气产生的现象有所不同.为了解释这一现象,本文深入探讨了层流燃烧速度与H+OH浓度峰值之间的关系,结果表明,一氧化碳的增加导致H+OH浓度峰值呈线性下降,与层流燃烧速度下降趋势完全一致.随着一氧化碳的增加,氮氧化合物排放量有所下降.探讨了NO的生成机理,且由敏感性分析得到生成NO的重要反应,分析当一氧化碳量增大时,NO的浓度以及重要反应的NO生成率均下降.此外,利用数值模拟求解径向拉伸率,深入分析燃料中添加一氧化碳时拉伸率对贫燃火焰稳定性的影响.由计算结果得到熄火拉伸率,发现燃料中一氧化碳的添加在一定程度上能够增强火焰的稳定性.     

Effects of Hydrogen Enhancement in LPG/Air Premixed Flame

A numerical study of hydrogen-enhanced liquefied petroleum gas (LPG) + air flames was presented. The variations of the adiabatic burning velocity in different conditions of combustion (?=0.7-1.4) were studied extensively. The hydrogen content in the fuel was varied from 0% to 45% and the dilution factor was from 21% to 16%. Since the major components of LPG are butane and propane, an appropriate chemical kinetic model must be chosen to solve the chemical reaction of C3 and C4 species. Validation of the chemical kinetic model against the fundamental combustion data was performed to insure accuracy. In addition, independent simulations were conducted in the opposed-jet, symmetric, twin-flame configuration. The effects of fluid mechanics, as manifested by the induced strain rate, were also considered. The effects of extinction strain rate on flame temperature and the flammability limits were calculated and the results showed that hydrogen-enhanced LPG/air premixed flames were more stable at high flame strain. The lean flammability limits were extended by the H₂ addition.     

基于仿生设计的风力发电机叶片力学性能的实验研究

根据风力机的基本理论和相似理论设计了一个翼型为SG6050,半径为1m的小型风力机叶片。运用结构仿生学原理,对所设计的风力机叶片进行了仿生物中轴铺层设计。通过模态实验与应变实验,比较了传统设计与仿生设计两种不同风力机叶片的力学性能。模态实验结果表明,基于仿生设计的叶片的前六阶固有频率比传统叶片的前六阶固有频率减少约8％;两种叶片的固有频率均满足设计要求;仿生设计的叶片几乎不会改变叶片的动态特性。而应变实验表明,仿生设计的叶片在各种工况下的应变均大于传统的叶片约10％～20％。新设计的叶片具有较好的柔性,有效减小了叶片的应力,提高了叶片的疲劳寿命。     

光通量法在SHPSB剪切应变测量中的应用

利用光通量方法对分离式霍普金森压剪杆实验技术中的剪切应变测量进行了实验研究。实验装 置主要包括:准直激光器、光电接收器、光学挡板。由装置性能验证实验结果以及不确定度分析结果表明:利 用基于光通量法的剪切应变测量技术能够可靠地测量SHPSB(splitHopkinsonpressurebar)试样的剪切应 变。并对比了基于光通量法测量的剪切应变值与理论近似结果,结果显示前者小于后者,分析并讨论了原因。     

花岗岩单轴压缩侧向变形及脆性破坏机制实验研究

为研究花岗岩侧向变形及脆性破坏机制,对花岗岩试件进行单轴压缩实验。利用动态应变采集系统、数字散斑相关方法(DSCM)和显微观测手段,记录并分析花岗岩试件在单轴压缩过程中的宏观侧向应变、局部侧向应变以及破裂面形貌,并与水泥砂浆试件的破坏过程对比,讨论了花岗岩脆性破坏机制。实验与分析结果表明:(1)花岗岩试件在加载初期发生侧向收缩变形,产生并发展于压密阶段,消失于线弹性阶段初期,这主要由于试件内部裂纹闭合造成的;此后,宏观侧向应变持续增长,当侧向应变与轴向应变之比接近0.5时试件破坏;(2)在峰值载荷前很长一段时间内,局部侧向应变在一定范围内波动,临近试件破坏时局部侧向应变最大值和最小值均出现较大幅度的波动,二者差值迅速增大,试件不均匀程度增大,最终导致试件破坏;(3)在峰值载荷前有无塑性屈服阶段是峰值载荷后脆性破坏程度的重要影响因素,而宏观裂纹的贯通程度是峰值载荷后应力降大小的决定因素。     

高饱和黏土中爆炸波作用下直埋聚乙烯管的动力响应

为了解决爆破作业对近距离埋地管道的安全评估问题,对高饱和粘土中爆炸波作用下聚乙烯(polyethylene, PE)管道进行了一系列管道动态响应的原型实验,得到了不同药量下管道动应变、动压力的实验数据和管体及地面的振速数据。实验结果表明:PE管动应变峰值同比例距离具有良好的幂函数衰减关系,在6～11 m/kg^1/3比例距离范围内,PE管的环向峰值应变衰减指数(绝对值)比轴向峰值应变衰减指数大;管道动态响应的主振频率略高于土体的主振频率,两者在同一量级,管道合成速度衰减指数大体和管道轴向应变衰减指数相当;压电陶瓷片所测得的电压信号和同测点的应变变化率信号具有较强的相关性。高饱和黏性土由于含水量较高,近距离柔性PE管因受到局部冲击会产生较大的环向应变,管道安全计算时应充分考虑这一因素;随着比例距离的增大,环向应变水平降低,轴向应变水平相对增强;压电陶瓷片因为具有良好可靠的动态性能,作为埋地管道现场监测的技术手段值得采用和推广。     

显式模拟类橡胶材料Mullins效应滞回圈

通过显式、直接的方法提出一个多轴可压缩应变能函数,用来模拟类橡胶材料在加载——卸载作用下,由于Mullins效应而产生的应力——应变滞回圈. 本文的创新点在于将表征能量耗散的变量引入到应变能函数.新的弹性势具有以下两个特点:第一,在加载情况下,新引入的变量不会对弹性势产生任何影响,因此,只要给出合适的形函数显式表达,3个基准实验,包括单轴拉伸和压缩,等双轴拉伸和压缩,以及平面应变,都可精确模拟;第二,新引入的变量在卸载情况下将被激活.在不同的卸载应力下,变量将发生改变,从而影响弹性势,使其最终产生不同的应力——应变关系卸载曲线,与对应的加载曲线共同构成应力——应变滞回圈.通过对Mullins效应实验数据进行分析和研究,得出了卸载形函数在不同卸载应力下变化的规律,并预测不同卸载应力下的应力——应变关系.最后,我们将得到精确匹配实验数据的数值模拟结果,从而证明本文方法不仅可以精确匹配至少3个基准实验,还可以模拟和预测类橡胶材料在加载——卸载作用下由于Mullins效应而产生的滞回圈.      

基于裂纹扩展脆性岩石动力压缩力学特性研究

动态压缩荷载作用下,脆性岩石内部动态细观裂纹扩展特性,对岩石宏观动态力学特性有着重要的影响。然而,对岩石内部动态细观裂纹扩展与宏观动态力学特性的关系研究较少。基于准静态裂纹扩展作用下的应力-应变本构模型、准静态与动态裂纹扩展断裂韧度关系、裂纹速率与应变率关系模型及应变率与动态断裂韧度关系,提出了一种基于细观力学的动态应力-应变本构模型。其中裂纹速率与应变率关系,是根据裂纹长度与应变关系的时间导数推出;应变率与动态断裂韧度关系,是根据推出的裂纹速率及应变率关系,与裂纹速率及断裂韧度关系相结合而得到。研究了应变率对应力-应变本构关系及动态压缩强度影响。并通过试验结果验证了模型的合理性。讨论了岩石初始损伤、围压、模型中参数m、ε0和R对应力-应变关系、动态压缩强度和动态弹性模量的影响。研究结果可为动态压缩荷载作用下深部地下工程脆性围岩稳定性分析提供了一定的理论支持。