ReaxFF MD模拟结果分析中化学反应路径网络的发现

反应分子动力学(ReaxFFMD)是一种极具潜力可应用于模拟较大规模分子体系(10,000个原子)化学反应的新方法。大规模ReaxFF MD模拟得到的原子轨迹和键级信息中蕴含着复杂的化学反应信息,人工分析机理并不现实。利用作者课题组开发的反应分子动力学分析与可视化工具VARxMD可从模拟结果中自动获取物种信息和详细的化学反应列表,并提供了基于子结构等特征对反应物种及其参与的反应进行分类。本工作在此基础上,进一步扩展了对指定起始反应物物种与目标产物物种之间的所有反应路径的搜索、并构建化学反应网络的功能。本文概要介绍反应路径的搜索策略,并以含能材料CL-20热分解生成N2产物为例,介绍了反应路径搜索得到的反应路径及其交互式可视化的应用。     

ReaxFF MD模拟的物种和化学反应自动分类及可视化

反应分子动力学(ReaxFF MD)是一种可模拟大规模反应分子体系(1000原子)的方法,已获得大量应用。本文针对国际上现有的ReaxFF MD模拟平台缺乏从模拟结果中分析反应机理能力的现状,为国际上首个ReaxFF MD模拟结果化学反应分析及可视化工具VARxMD进一步扩展建立了模拟体系的物种自动分类和反应分类能力。本文阐述基于化学结构特征等多种分类规则对ReaxFF MD模拟体系中化学结构复杂、数量众多的物种和化学反应进行自动分类和可视化的策略和方法。通过建立一套灵活的分类规则构建机制,可帮助研究者自主定义和组合考察对象的特征,以建立满足多重目标的分类规则。实现了基于反应体系的物种组成、化学结构、性质等特征的物种自动分类;以此为基础,进一步实现了基于化学反应的组成物种、反应官能团等特征信息的化学反应自动分类方法。为考察ReaxFF MD反应体系的演变规律和具体的反应行为,将物种分类及反应分类所获的对象集合视作一个整体进行化学计量统计,实现了考察对象集合随时间变化趋势的图形化显示,以及指定原子、键、官能团、分子片段、物种的反应路径细节的2D和3D可视化观察。VARxMD独特的物种分类能力在利用ReaxFF MD模拟煤热解反应机理、揭示煤热解不同类别产物的演变趋势方面发挥了关键作用。     

反应分子动力学(ReaxFF MD)模拟结果分析工具VARxMD

反应分子动力学(ReaxFF MD)是一种很有潜力研究较大体系(1000个原子)复杂化学反应的方法。国际上现有的ReaxFF MD模拟结果分析工具无法让用户了解所模拟的过程中发生的化学反应细节,对于规模小或简单的反应体系进行人工分析还可以接受,但对于原子规模达到~1000-~10000的大体系模拟,反应分析功能的缺乏,将使研究者对反应机理的分析陷入困境。本文研发的反应分子动力学分析与可视化工具VARxMD(Visualization and Analysis of ReaxFF Molecular Dynamics),它是国际上第一个实现对ReaxFF MD模拟轨迹进行化学反应自动分析的工具。VARxMD是基于Qt/VTK和其它第三方库研发的跨平台图形用户界面程序,借助化学信息学的化学结构处理方法,对ReaxFF MD模拟结果轨迹中的原子、物种、成断键的分析,并结合数据可视化和分子片段结构可视化,实现对ReaxFF MD模拟结果的深度分析,可获得模拟过程中完整的化学反应信息。VARxMD已应用于煤热解和聚乙烯等复杂分子体系热解的化学反应机理探索,且VARxMD具有通用性,有望被应用于更多的体系。     

多组份单分子系统反应途径的计算机模拟

对于n≥3的多元单分子系统的化学反应途径,按自由能最速下降原则,在计算机上成功地进行了模拟。该法对复杂系统的反应研究、催化剂开发、反应器设计等具有指导意义。     

一种混合化学反应优化算法求解最小顶点覆盖问题

最小顶点覆盖问题是组合最优化问题,在实际应用中有较广泛的应用,是一个NP难问题。论文针对最小顶点覆盖问题给出了一种混合化学反应优化求解算法。首先根据无向图的邻接矩阵表示法,设计了参与化学化反应的分子编码和目标函数;同时把贪心算法思想创造性地融入到化学反应优化算法的四个重要反应算子中,以加快局部较优解的搜索过程;最后通过模拟化学反应中分子势能趋于稳定的过程,在问题的解空间中搜索其最优解。模拟实验结果表明,该算法对于求解无向图的最小顶点覆盖问题是有效的,并且在求解效率等方面有一定的改善。     

化学反应优化算法求解最小顶点覆盖问题

给出了基于化学反应优化算法(CRO)求解最小顶点覆盖问题的一个新方法.首先根据最小顶点覆盖问题的无向图邻接矩阵,设计了参与化学化反应优化算法的分子编码和适应度函数;同时针对最小顶点覆盖问题的特性创造性地设计了化学反应优化算法中分子操作的四个重要算子;最后通过模拟化学反应中分子势能趋于稳定的过程,在问题的解空间中搜索其最优解.实验结果表明,通过与遗传算法(GA)、蚁群优化算法(ACO)等比较分析,所提的新方法对于求解无向图的最小顶点覆盖问题是有效的,并且与一般遗传算法相比在求解速度等方面有明显的改善.     

MOLMAP指数生成及其在化学反应分类和反应性预测中的应用

分子MOLMAP指数是通过递交一个分子中所有化学键描述符到Kohonen自组织映射,基于一个特定的算法所生成,其中Kohonen自组织映射已经预先由多种类型化学键所衍生的描述符进行了训练。化学键描述符由化学键的物理化学性质或(和)拓扑性质组成。MOLMAP指数是一个基于化学键类型的分子指数。若2个描述符相似的化学键激活同一个Kohonen自组织映射神经元,则2个化学键为同一类型。进一步,采用反应物与生成物的MOLMAP指数差异性描述化学反应,衍生了化学反应的MOLMAP指数。此指数能够在没有参与化学反应的化学键信息的情况下进行化学反应的相关研究,因而能够广泛地应用。本文从3个方面概述了MOLMAP指数的应用:1)在化学反应分类中的应用,例如:预测生物代谢反应分类;2)在化学反应性预测中的应用,化学反应性是指与化学反应有关的性质,例如:预测物质的变异性和抗氧化性;3)在三维数据处理中的应用,是基于MOLMAP指数算法进行的扩展,例如:预测氯酚类化合物的毒性。     

连续搅拌槽式反应器中自催化化学反应的延迟反同步控制

讨论了考虑延迟效应下化学反应体系的控制问题．在自催化化学反应系统中,将反应误差重新定义为实际反应状态与控制目标的差值,并基于Lyapunov稳定性理论和反同步思想,通过构造适当的控制器和控制输入信号可以使整个反应系统中各成分的浓度处于某种状态．该方法对系统无特殊要求,并且无需构造Lyapunov函数．最后用数值模拟验证了方法的有效性．     

复杂化学反应动力学的计算机模拟

化学反应动力学过程的计算机模拟对于研究反应机理、控制反应进程等具有重要的意义。本文首先根据质量作用定律建立了复杂化学反应动力学的数学模型,即一阶常微分方程组;然后利用VB编程工具,采用四阶龙格库塔法,设计了一个计算软件,该软件可对任意类型的复杂反应任一时刻时各物质的浓度进行计算,同时该软件具有作图功能,能够形象生动地模拟反应的进程;最后通过两个反应实例介绍了软件的使用方法,并对计算结果进行了验证,运算表明,该软件与同类软件相比,具有运算结果精确度高,速度快、功能更强大等特点。软件的计算结果可作为化工反应器设计的参考数据,软件可作为化学反应动力学研究的一个计算工具,也可运用于反应动力学等课程的教学。     

计算流体力学在化学反应器模拟中的应用进展

计算流体力学(CFD)能够准确地描述流体流动、混合、传热规律,近年来逐渐开始耦合到化学反应中应用于化学工程领域,并表现出巨大潜力。本文综述了CFD在不同化学反应器中针对不同反应体系模拟的基本原理以及应用。相比于传统的面向理想反应器的反应动力学模拟和单纯面向流动传递的CFD模拟方法而言,采用CFD耦合化学反应动力学的方法同时考虑了传递过程和反应过程,能够对非理想化学反应器的操作特性(转化率、选择性、分子量及其分布等)进行模拟、分析与预测,在化工过程强化和化工产品控制方面优势明显。开发新的耦合数学模型和数值算法、考虑亚格子尺度的微观过程和采用直接数值模拟等方法,将是利用CFD深入研究非理想反应器特性的重要方向。     

Complexities in modeling of heterogeneous catalytic reactions

Catalysts are omnipresent in the chemical industry. Understanding of catalytic chemical reactions is crucial for a rational development of catalysts. The present paper describes approaches for simulating phenomena in heterogeneous catalysis on a molecular level. Modeling of porous structures and their fractal surfaces will be presented. Simulation of adsorption and diffusion of reactants and products inside the pores by means of various Monte Carlo and Molecular Dynamics algorithms is described, followed by quantum chemical methods for calculating reactions on the active centers. Optimization of pore structures and multiscaling procedures complete the picture.     

基于DSMC的某卫星太阳电池翼分子污染模拟

分析了空间分子污染物的传输过程,采用10组不同的输入参数,在曙光4000A超级计算机上用直接模拟蒙特卡罗（Direct Simulation Monte Carlo,DSMC）方法的并行算法计算了在轨运行期间分子污染物在某型号卫星太阳电池翼表面的沉积情况,分析了太阳电池翼输出功率的衰减情况。     

Statistical performance analysis of nonlinear stochastic systems by the Monte Carlo method

Until the recent advent of extended covariance analysis utilizing quasi-linearization techniques, the only approach for assessing the performance of a nonlinear system with random inputs and initial conditions has been the monte carlo method. This method involves direct simulation, i.e., determining the system response to a finite number of “typical” initial conditions and noise input functions which are generated according to their specified statistics, and averaging over the resulting ensemble of responses (“trials”) to obtain estimated or sample statistics.While the monte carlo method remains the most general trustworthy technique available for the estimation of nonlinear system performance statistics, sample statistics may be unreliable unless hundreds or perhaps thousands of trials are performed. Since computer budget constraints may not permit such extensive simulation of high-order systems, there is often a temptation to “make do” with sample statistics based on 20 to 25 trials. While this procedure might provide meaningful results in cases that are “nearly gaussian”, it is dangerous to rely on limited sample statistics if deviations from normality are significant. This point is demonstrated in detail in this paper using a generalized confidence band concept (not Chisquare) as a measure of the reliability of monte carlo sample statistics for nongaussian random variables. Some compensatory approaches are discussed, including estimating higher-order moments and generating histograms (approximate cumulative distributions).     

加强学习主要算法的比较研究

文章介绍了加强学习模型,分别给出了加强学习的四个主要算法:动态规划、蒙特卡罗算法、时序差分算法、Q-学习,并指出了它们之间的区别和联系。最后给出加强学习的两个应用以及今后的研究方向。     

原子动力学蒙特卡洛程序MISA-KMC在反应堆压力容器钢辐照损伤研究中的应用

材料科学领域的快速发展,使得核材料(反应堆压力容器钢)微观结构在受到强辐射时产生辐照损伤的问题成为了重点研究对象。采用动力学蒙特卡洛方法,可以模拟反应堆压力容器钢中溶质析出行为。为了给研究核材料在长期服役后微观结构演化及性能变化提供理论依据,文中介绍了自主开发的MISA-KMC程序的并行策略及大规模测试结果。在验证程序正确性的基础上,利用MISA-KMC程序研究了反应堆压力容器钢中多种溶质原子的析出过程。结果表明,经过长时间演化,溶质原子会发生聚集,形成富Cu团簇,富Cu团簇是引发反应堆压力容器钢脆化的主要微观结构之一。MISA-KMC程序模拟结果的准确性、可支持模拟规模大小以及模拟元素的多样化,为后续的材料性能变化研究提供了保障。     

高超音速飞行器鲁棒控制研究

针对高超音速飞行器具有高度非线性、输入输出之间强耦合以及参数不确定等特点,提出了基于随机鲁棒设计的动态逆控制;这一控制方案基于系统控制需求,利用蒙特卡罗仿真方法建立目标函数,并通过遗传算法最优化系统设计参数,该控制方案将动态逆控制的非线性解耦控制能力与随机鲁棒设计的强鲁棒性结合,保证了飞行的纵向稳定性,改善了其控制性能;基于某常规高超音速飞行器纵向模型进行仿真验证,结果表明该方案能够满足系统控制需求且具有强鲁棒性。     

基于小波包变换的DS/FH系统抗窄带干扰研究

为了进一步提高直接序列/跳频(DS/FH)扩频系统的抗干扰能力,基于小波包变换结合递归最小二乘算法设计了一种变换域自适应干扰抑制算法,该算法采用小波包分解定位窄带干扰,递归最小二乘算法抑制窄带干扰.通过蒙特卡罗仿真分析在增加抗干扰模块后,DS/FH系统工作在准静态时,在不同信噪比条件下抗窄带干扰性能.仿真结果表明:该算法具有较强的自适应性以及抗窄带干扰能力,其性能优于传统的直接置零法,适用于多音干扰下的恶劣通信环境.     

Mapping reactive flow patterns in monolithic nanoporous catalysts

The development of high-efficiency porous catalyst membranes critically depends on our understanding of where the majority of the chemical conversions occur within the porous structure. This requires mapping of chemical reactions and mass transport inside the complex nanoscale architecture of porous catalyst membranes which is a multiscale problem in both the temporal and spatial domains. To address this problem, we developed a multiscale mass transport computational framework based on the lattice Boltzmann method that allows us to account for catalytic reactions at the gas–solid interface by introducing a new boundary condition. In good agreement with experiments, the simulations reveal that most catalytic reactions occur near the gas-flow facing side of the catalyst membrane if chemical reactions are fast compared to mass transport within the porous catalyst membrane.     

Impact factors of fractal analysis of porous structure

Characterization of pore structure is one of the key problems for fabrication and application research on porous materials. But, complexity of pore structure makes it difficult to characterize pore structure by Euclidean geometry and traditional experimental methods. Fractal theory has been proved effective to characterize the complex pore structure. The box dimension method based on fractal theory was applied to characterizing the pore structure of fiber porous materials by analyzing the electronic scannin...     

非线性方程的多核并行蒙特卡洛求解方法

采用多核技术。通过使用Win32API、OpenMP、MPI三种并行模式将求解非线性方程的蒙特卡洛方法的串行方法并行化,得到5种并行化方法。根据数值试验结果,对各种并行方法进行比较,发现Win32API并行模式计算速度最快,最终将结论加以推广。