NC/TMETN共混体系分子动力学模拟

为研究三羟甲基乙烷三硝酸酯(TMETN)改善NC(硝化纤维素)力学性能的效果及其作用机理,采用分子动力学模拟计算的方法,研究了NC/TMETN共混体系的结合能、分子间的径向分布函数及力学性能,并与NC/NG(硝化甘油)共混体系进行了对比。结果表明:不同比例NC/TMETN共混模型的弹性模量、剪切模量和体积模量等均低于NC模型的,证明加入TMETN可有效增加NC的塑性;通过径向分布函数分析可知,NC/TMETN、NC/NG均存在较强的氢键和范德华力;相同质量比的NC/TMETN与NC/NG共混体系力学性能模拟结果表明,NC/TMETN与NC/NG的力学性能相近,验证了TMETN可取代NG作为NC的增塑剂。     

TMETN含量和NC含氮量对TMETN/NG混合硝酸酯发射药力学性能的影响

为了改善发射药的力学性能,在硝胺发射药配方基础上,用三羟甲基乙烷三硝酸酯(TMETN)取代部分NG、改变NC含氮量,制备了2个系列的TMETN/NG混合硝酸酯发射药样品;采用冲击试验机、材料试验机测试了3个不同温度(-40、20和50℃)下发射药的冲击强度和压缩强度;利用密闭爆发器测试了发射药在高压(p_m≈600MPa)下的燃烧性能。结果表明,在试验范围内,发射药的低温冲击强度随着TMETN质量分数的增加(0、5%、10%、15%、20%)而逐渐增加,高温和常温下则呈现相反的趋势,而压缩强度在不同温度下均呈现上升的趋势;随着NC含氮量由12.2%增至13.0%,在不同温度下发射药冲击强度和压缩强度均呈现先小幅增加后逐渐减小的趋势;在高压条件下,发射药样品在不同温度条件下的p—t、L—B曲线均光滑,符合管状发射药正常燃烧的变化规律,未出现明显的破碎现象。     

含不同钾盐消焰剂的NC/TMETN推进剂熄火表面特征研究

利用扫描电镜（SEM）和能谱仪研究了含不同钾盐的NC／TMETN推进剂熄 火表面特征，研究结果表明，有机钾盐KD使用进剂熄火表面上Cu元素的含量降低，导致Pb和Cu的复合催化作用减弱，而KNO3使推进剂熄火表面碳含量降低，铅球尺寸增大，导致催化活性组分减少，催化作用减弱；K3AlF6与铅的氧化物在推进剂熄火表面形成了PbF4，从而完全破坏了铅化物的催化作用。     

DNTF对NC塑化特性的分子动力学模拟及实验研究

为研究DNTF对CMDB推进剂力学性能的作用机理,通过分子动力学模拟方法建立了NC纯物质和NC/DNTF共混物分子模型,研究了DNTF对NC塑化过程中微观结构的影响,采用拉伸试验研究了DNTF对CMDB推进剂力学性能的影响。结果表明,DNTF与NC分子形成氢键,使NC内分子的氢键减弱,NC分子的刚性降低;加入DNTF后,DNTF-CMDB推进剂的抗拉强度降低、延伸率增加;20℃时延伸率由8.69%增加到33.6%,50℃时延伸率由14.86%增加到45.6%。分子动力学模拟计算结果与拉伸试验结果一致。     

NC/PEG共混体系的相容性研究

采用差示扫描量热法(DSC)和动态力学分析法(DMA)研究了不同质量比的硝化棉/聚乙二醇(NC/PEG)共混体系的相容性。结果表明,NC/PEG共混体系中PEG的熔点、结晶度和结晶熵随NC含量的增加明显降低,共混组分相互作用参数χ1,2为负值,即共混体系在热力学上具有相容性。共混体系的玻璃化转变温度随NC含量的增加均向低温移动,并且当共混体系中NC与PEG质量比为1∶1时,共混体系呈现单一的玻璃化转变温度。     

金属粉对NC/TMETN/FOX-7低敏感改性双基推进剂燃烧性能的影响

采用燃速-靶线法研究了铝粉(Al)、镁铝合金粉(Mg-Al)和硼粉(B)以及铝粉含量、粒度等对NC/TMETN/FOX-7改性双基推进剂燃烧性能(燃速和压强指数)的影响;采用单幅放大彩色摄影法研究了其火焰结构。结果表明,推进剂配方中添加金属粉可提高NC/TMETN/FOX-7改性双基推进剂的燃速,金属粉使推进剂燃速的增大幅度由大到小依次为:Al-MgAlB;随着Al粉(粒径12.5μm)质量分数由0增至10%,NC/TMETN/FOX-7推进剂的燃速先增大后减小,当铝粉质量分数为5%时推进剂燃速最高,达到21.19mm/s;NC/TMETN/FOX-7改性双基推进剂的燃速随着铝粉粒度的增大而增大,铝粉粒径由12.5μm增至45μm时,10MPa下推进剂的燃速由21.19mm/s增至24.47mm/s,8～14MPa的压强指数降至0.20以下;NC/TMETN/FOX-7推进剂的火焰结构与NC/NG基推进剂相似,由预热区、亚表面及表面区、暗区和火焰区组成,各区之间的界限不明显。     

以NC和TMETN为基的微烟推进剂机械感度研究

研究了以硝化棉（ Ｎ Ｃ）和三羟甲基乙烷三硝酸酯（ Ｔ Ｍ Ｅ Ｔ Ｎ）为基的微烟推进剂的感度性能。结果发现：用 Ｔ Ｍ Ｅ Ｔ Ｎ 取代 Ｎ Ｇ,是实现双基推进剂低感性能的重要途径。 Ｎ Ｇ 被 Ｔ Ｍ Ｅ Ｔ Ｎ 取代后,推进剂的撞击感度和摩擦感度明显降低。也讨论了所用复合催化剂、消焰剂和低感度的含能添加剂对机械感度的影响。     

TMETN在浇铸改性双基推进剂中塑化性能的分子动力学模拟及实验研究（英文）

为了将三羟甲基乙烷三硝酸酯(TMETN)应用于浇铸改性双基推进剂中以降低推进剂感度,通过分子动力学模拟不同增塑剂(NG, TMETN及NG/BTTN)与NC之间的相互作用,得到了其回旋半径、体积分布和径向分布函数等参数,并通过固化实验以及力学性能、机械感度测试对模拟结果进行验证。结果表明,不同增塑剂中NG与NC的相互作用最强,回转半径最大,TMETN对NC的塑化能力较差,使用时应添加辅助增塑剂;固化实验结果显示只添加TMETN的推进剂即使升温至75℃也无法固化,而NG与TMETN质量比1∶1的推进剂则在70℃即可良好固化,同时可使推进剂特性落高H_(50)达到58.6cm以上,摩擦感度降至40%以下,这与对NC塑化效果顺序为NGNG/BTTNTMETN的理论计算结果一致。     

聚合物流动的多尺度模拟

基于聚合物分子运动论,提出了一种新的计算聚合物流体的多尺度方法。该方法在宏观尺度上应用无网格方法求解速度场,在微观尺度上应用随机模拟技术计算聚合物对应力的贡献,从而避免需要本构方程来封闭连续性方程和动量守恒方程。对Hooke哑铃模型、FENE哑铃模型、FENE-P哑铃模型,模拟了突然起动平面Couette流动;对Hooke哑铃模型,模拟了方腔驱动流动。从而验证了该方法的有效性和计算结果的可靠性。     

表面活性剂的多尺度模拟

本文介绍了近年来微观、介观和宏观分子动力学模拟的发展。并针对这三种尺度下的模拟方法进行了描述。同时针对这些方法的应用进行了综述。     

单颗粒黏结行为的实验研究

实验研究了固体桥力作用下的颗粒黏结脖颈成长及抗拉强度变化规律。通过颗粒黏结的动态观测,发现烧结理论能很好地解释脖颈的成长过程,接触时间对脖颈影响相对较小,黏结温度影响较大;通过测量温度场中的脖颈抗拉强度,发现黏结温度升高,抗拉强度先增后减,液相出现后抗拉强度迅速下降;黏结时间增长,抗拉强度逐渐增大,并趋向于一个稳定值;接触压力增大,抗拉强度也随着增大。研究还证实了脖颈抗拉强度低于同温度下的材料强度,脖颈存在晶格缺陷。量纲1脖颈强度在温度低于0.8T_melt时变化幅度很小,小于材料强度的0.1倍;在高于0.8T_melt后,量纲1脖颈抗拉强度会迅速增大,直至逼近材料自身的强度。     

基于介尺度PBM模型的生物反应器放大模拟及实验研究

对于通气搅拌式工业生物反应器的放大设计而言,精确预测气泡尺寸和体积传质系数非常重要,因此需要建立合适的气泡聚并和破碎模型,以保证反应器的高效操作。以5 L通气搅拌式生物反应器为对象,以气泡尺寸和体积传质系数的实验数据为基准,模拟并考察了两种聚并模型和四种破碎模型对生物反应器内流体流动行为以及传质能力的影响。结果表明,基于介尺度理论的修正聚并模型与考虑黏流剪切的破碎模型组合,所得模拟结果与实验数据吻合最好,这为大型生物反应器的桨型优化提供了模型基础。因为工业化生物发酵通常是在大型生物反应器中进行,搅拌桨型对生物反应器效能至关重要,故本研究在选定最优气泡聚并破碎模型的基础上,通过叶轮末端剪切力相等的放大原则将5 L通气搅拌式工业生物反应器放大到400 m³,同时考察了六斜叶圆盘搅拌桨、非对称式抛物线搅拌桨、布鲁马金式搅拌桨以及六直叶圆盘搅拌桨等桨型组合对气泡破碎能力和气体分散效果的影响,并通过综合对比气含率、体积传质系数等参数,得到400 m³通气搅拌式生物反应器的最优桨型组合。     

流态化模拟:基于介尺度结构的多尺度CFD

介尺度结构是研究气固流态化多尺度行为的关键。传统的基于平均化处理方式的双流体模拟不能准确描述流化床中的多尺度流动和传递行为。相较而言,基于能量最小多尺度(EMMS)方法的结构多流体模型(SFM)基于局部空间(网格)内的非均匀介尺度结构流动特征,其宏观预测结果与网格分辨率基本无关,因而可以大幅降低模拟计算量。基于SFM模拟得到的流动结构,EMMS多尺度传质模型进一步成功解释了传统传质文献中的数据差异。集成上述模型,形成了一整套模拟流化床流动-传递-反应耦合过程的多尺度计算流体力学(CFD)方法,并将其应用于预测循环流化床中典型的S型轴向分布、揭示噎塞转变的机理以及流化床放大困难的原因。多尺度CFD使工业规模循环床的三维、全系统、动态流动-反应耦合过程的准确模拟成为可能,并为实现从模拟向实时虚拟过程转变的目标打下基础。     

丁羟推进剂黏结体系中增塑剂迁移的分子模拟

为克服固体推进剂中增塑剂与黏结体系之间加速老化实验手段的不足,构建了增塑剂和黏结体系的分子模型.利用分子模拟方法在COMPASS力场下分析了增塑剂癸二酸二辛酯(DOS)在由端羟基聚丁二烯(HTPB)和异佛尔酮二异氰酸酯(IPDI)组成的黏接体系中的相容性和扩散性.用无定形动力学方法计算组分的溶度参数,判断DOS与HTPB、IPDI的相容性.结果表明,DOS与HTPB、IPDI相容性较好.这与由共混方法计算的结合能得到相容性好的结论一致;通过分子动力学方法模拟计算得到增塑剂DOS在黏结体系(HTPB-IPDI)中的扩散系数为1.2×10-7cm2/s.     

多尺度碳/碳复合材料力学性能研究

碳/碳(C/C)复合材料在服役过程中基体热解碳(PyC)强度低、脆性大,导致基体开裂、界面层脱黏等结构失效现象频发,严重限制其在特种环境中的应用。提出利用化学气相渗透法构建碳纤维与基体间的低织构热解碳界面层,采用电泳共沉积法掺杂碳纳米管(CNTs)、碳化硅纳米线(SiCnws)于碳纤维表面,构建纳米纤维-碳纤维多尺度预制体,实现多尺度C/C复合材料的制备和改性。研究发现,CNTs&SiCnws掺杂能促进C/C复合材料的弯曲性能、层间剪切性能和面内压缩性能的改善。弯曲、层间剪切、面内压缩强度随CNTs&SiCnws含量的增加均表现为“先升高后降低”的规律,CNTs&SiCnws可诱导细化PyC结构,避免基体微观缺陷的产生,提高纤维与基体的界面结合力,达到协同增强多尺度C/C复合材料的效果。     

离子液体脱除模拟油中挥发酚的多尺度模拟与研究

对离子液体萃取模拟油中的苯酚和苯甲酚进行了多尺度模拟,基于COSMO-RS模型筛选了萃取效果良好的离子液体,并计算了离子液体和挥发酚的σ-profile以及混合物的超额焓用以探究体系极性与非理想性。通过量子化学计算与分子动力学模拟计算了挥发酚和离子液体的静电势、弱相互作用,以及径向分布函数和空间分布函数等参数,旨在了解离子液体与挥发酚之间的相互作用机理。设计了离子液体萃取脱除模拟油中挥发酚工艺流程,结合灵敏度分析进一步优化了工艺条件,计算结果证实了使用离子液体脱除挥发酚的可行性与先进性。     

喷射器内湍流混合的多尺度模拟

利用宏观混合分数方差和微观混合分数方差定量表征宏观混合和微观混合状态,对喷射器内的湍流混合进行了多尺度模拟和研究,并计算出了达到完全混合所需要的特征混合时间。对不同操作条件下的多尺度混合情况进行了模拟计算和分析。结果表明：在引射流速度不变的情况下,增加喷嘴速度,可以降低达到完全混合所需要的时间;在喷嘴速度不变的情况下,增加引射流速度,可以增加达到完全混合所需要的时间;在喷嘴和引射流速度比不变的情况下,增加两者绝对速度,可以降低达到完全混合所需要的时间;在本文所研究的情况下,喷射反应器内湍流混合过程由微观混合控制。     

黏结磁性材料复合体系流动缺陷的研究

利用双料简毛细管流变仪,讨论了在高磁性粉末装载量下黏结磁性材料复合熔体流动缺陷问题。实验表明,黏结磁性材料复合熔体具有超高的流动黏度,在毛细管内受压流动时流动行为与管径尺寸相关。在小管径时容易产生“时黏时滑”、“压力振荡”等流动不稳定现象。分析认为,黏结磁性材料复合熔体体系是低量黏结剂和超高量的磁性粉末共混合体系,在小管径毛细管内受压流动时由于粉末粒子自由转动空间较小,产生剪切迁移行为不均匀,集聚在管壁处的低黏度物料量不稳定而引起管壁滑移等不稳定流动缺陷。