非平衡分子动力学在炭膜气体分离CH4/CO2中的模拟研究

通过建立单孔狭缝模型,采用非平衡分子动力学方法研究CH_4/CO_2二元气体混合物通过管状炭膜的传递和分离特性,考察了系统温度、气体组成和膜孔径对通量的影响。模拟过程中将膜低势,区压力取为更符合实际情况的非零值(大于零)。研究结果表明,在温度为20℃～160℃范围内,随温度升高,CH_4的通量增加,CO_2的通量则先降低后升高(80℃出现最低值);随混合气中CH_4组成的增加,CO_2通量下降、CH_4通量升高;随膜孔径增大,CH_4通量先增后减(9.77 (?)时出现最大值)、CO_2通量则呈下降趋势。以上模拟结果与实验数据相比较,吻合良好。在此基础上,本文还考察了跨膜压差对过程的影响,发现CH_4和CO_2的通量均随跨膜压差的增大而增大,膜的分离性能则随之降低。本研究结果充分表明,所建模型能够正确地描述CH_4/CO_2气体混合物的炭膜分离过程。     

1种研究有机蒸气穿透陶瓷膜的恒压间歇分子动力学方法

用分子模拟研究有机分子在陶瓷膜中的扩散和吸附,以了解不同分子在膜表面和膜孔吸附和穿透的扩散行为。通常采用非平衡分子模拟方法,如巨正则系综蒙特卡洛方法或双系综分子动力学。Materials Studio(MS)软件只能用于微正则或正则系综的平衡分子动力学模拟(EMD)。为使其能计算非平衡分子动力学(EMD)计算,开发出1种恒压间歇分子动力学法(IBMD)。利用它去研究丙酮/氮气混合气穿透氧化铝膜的扩散和吸附行为,并和EMD比较。IBMD计算结果表明,温度升高,丙酮和氮气分子吸附和扩散速率加快;且不同孔径陶瓷膜呈现不同的吸附机理。证明IBMD法可行。     

质子交换膜燃料电池三维稳态数值模拟

燃料电池模型研究对于揭示电池内部各种传递现象、优化结构设计、改善电池性能具有重要的作用。利用质子交换膜燃料单池三维稳态、非等温模型,研究不同扩散层孔隙率对质子交换膜燃料电池性能的影响。模型考虑了质量、动量、能量、组分、电荷守恒方程和电化学反应动力学方程等影响因素。模拟结果表明高孔隙率能促进气体的扩散过程、降低气体浓度梯度、降低脊部效应、降低电流密度梯度,从而提高燃料电池性能。     

分子模拟方法在极压抗磨剂研究中的应用

简要概述了分子模拟方法在润滑油基础油和添加剂研究中的应用,主要为化合物的作用机理及分子结构对性能的影响。对分子模拟在极压抗磨剂作用过程中的研究进展进行了总结,分析了分子与金属表面作用前的分解机理,极压抗磨剂与金属表面反应过程中的化学作用位点及诱导因素,探讨了生成反应膜发挥抗磨作用的结构内因,极压抗磨剂的结构与性能关系以及通过结构参数和吸附能预测抗磨性能的要点。     

分子动力学模拟在润滑基础油黏度研究中的应用进展

黏度是确保润滑油在摩擦副间形成油膜的一个非常重要的性质,润滑油的黏度主要由基础油黏度决定,基础油黏度影响因素及规律的分析对基础油的生产具有重要指导意义。分子动力学模拟技术在基础油黏度研究中发挥了重要的作用。本文在简要介绍黏度计算的两种分子动力学方法基础上,重点论述了利用分子动力学模拟技术分析确定基础油黏度影响因素以及剪切速率、环境温度、环境压力等外部环境对基础油黏度影响规律的主要研究进展。针对基础油黏度研究的现状,提出从基础油分子的电子云特性出发分析分子结构对黏度的影响,将有望从更深层次上揭示黏度的影响机理,从而为高性能润滑基础油的配方优化或分子设计提供指导。     

分子模拟在反相液相色谱分离机理研究中的应用

分子模拟技术是近些年发展起来的一门新兴计算化学技术。本文简要介绍了四种常用的分子模拟方法在反相液相色谱分离机理研究中的应用。详细阐述了采用分子动力学模拟法研究固定相的烷基链构象变化、流动相中溶剂分子与溶质分子间相互作用等与溶质的色谱保留过程的关系。     

GROMACS软件并行计算性能分析

分子动力学模拟是对微观分子原子体系在时间与空间上的运动模拟,是从微观本质上认识体系宏观性质的有力方法.针对如何提升分子动力学并行模拟性能的问题,本文以著名软件GROMACS为例,分析其在分子动力学模拟并行计算方面的实现策略,结合分子动力学模拟关键原理与测试实例,提出MPI+OpenMP并行环境下计算性能的优化策略,为并行计算环境下实现分子动力学模拟的最优化计算性能提供理论和实践参考.对GPU异构并行环境下如何进行MPI、OpenMP、GPU搭配选择以达到性能最优,本文亦给出了一定的理论和实例参考.     

分子动力学模拟蛋白质吸附过程中势能函数计算的分组简化

分子水平上理解蛋白质吸附的机理,是目前蛋白质工程、生物材料和生物医学领域中一个基本问题。本文根据蛋白质分子结构的特点,采用刚体模型,在NVT条件下,对聚十赖氨酸分子在固液界面上的吸附过程进行了分子动力学模拟。在计算过程中,通过对原胞内原子进行适当分组的方法改进,以求进一步提高对势能函数的计算速度。研究结果表明,适当分组的方法可以简化分子动力学模拟的计算过程,加快计算速度,而模拟结果反映了吸附过程中蛋白质分子构象变化过程。     

生物分子在Ni纳米膜表面吸附的力学特性： 分子动力学模拟

采用COMPASS力场,通过分子动力学模拟,研究了Ni纳米薄膜的弹性模量的尺寸效应,以及生物分子吸附在Ni表面对其力学性能的影响.计算结果表明,随着厚度的增大,吸附强度也在增强;Ni纳米薄膜的弹性模量随着膜厚的减小而减小.氨基酸在Ni表面的吸附能够提高其弹性模量1～2 GPa,并且表明分子的取向是重要的影响因素.     

分子模拟在木素研究中的应用

分子模拟作为近年发展起来的一门综合性的计算化学技术,越来越受到油田化学、催化剂研制、高分子设计及化学工程等领域的广泛重视。它与实验技术一起成为研究木素分子结构、性质及生物合成机理的有效工具。文章介绍包含分子力学法、分子动力学法和量子力学法在内3种常用的分子模拟方法并综述其在木素研究中的应用,同时指出分子模拟的不足及其发展方向。     

纳米催化以及反应蒙特卡罗分子模拟研究进展

应用蒙特卡罗分子模拟方法来模拟化学反应(尤其是孔内的化学反应)是分子模拟领域里一个比较前沿、新兴的研究方向。该方法能够从分子的微观层次上来观察催化材料的：孔径大小、形状、表面非均匀性等性质以及温度、压力等变量对化学反应平衡和反应动力学的影响，从而能更好地把握化学反应的本质特征。本文首先介绍了研究和应用领域里所被关注的催化介孔材料以及表征这些材料的物理模型；随后，综述了采用蒙特卡罗分子模拟方法来模拟化学反应的一些算法和应用；最后，指出了反应分子模拟领域所面临的难点以及挑战。     

Architecture and applications of the Connection Machine

The concept of data-parallel computers is explained, and their architecture of the Connection Machine (CM), which implements this approach, is described. It provides 64 K physical processing elements, millions of virtual processing elements with its virtual processor mechanism, and general-purpose, reconfigurable communications networks. The evolution of the CM architecture is examined, and the software environment, engineering and physical characteristics, and performance of the current embodiment (the CM-2) are discussed. Applications of the CM to molecular dynamics, VLSI design and circuit simulation, and computer vision are described     

基于Intel MIC平台大规模耗散粒子动力学模拟的设计与优化

耗散粒子动力学(DPD)模拟是一种重要的研究流体动力学特性的计算模拟方法,基于Intel MIC平台设计实现了面向大规模耗散粒子动力学模拟,充分结合了DPD模拟本身的特性和MIC平台的特征。对DPD模拟中的近邻列表构建和短程作用力关键代码实现了向量化优化,在CPU和MIC协处理器之间采用任务计算负载平衡机制,支持MPI进程内线程数量负载平衡控制。分别在原型程序上和LAMMPS集成中做了性能对比分析,实验结果显示了引入相关优化技术的有效性,为进一步研究面向MIC众核平台的分子动力学相关工作奠定了基础。     

Fundamental dynamics of flow through carbon nanotube membranes

The flow of a model non-polar liquid through small carbon nanotubes is studied using non-equilibrium molecular dynamics simulation. We explain how a membrane of small-diameter nanotubes can transport this liquid faster than a membrane consisting of larger-diameter nanotubes. This effect is shown to be back-pressure dependent, and the reasons for this are explored. The flow through the very smallest nanotubes is shown to depend strongly on the depth of the potential inside, suggesting atomic separation can be based on carbon interaction strength as well as physical size. Finally, we demonstrate how increasing the back-pressure can counter-intuitively result in lower exit velocities from a nanotube. Such studies are crucial for optimisation of nanotube membranes.     

短程力分子模拟在Hadoop上的实现及优化

在Hadoop开源云计算平台上运行分子模拟程序,具有节省软硬件投资、缩短模拟时间等研究意义。然而,该平台并不擅长科学计算类应用中所涉及的快速迭代和子任务间通信。为此,在原子分解法基础上提出了三种解决方案并利用"读写HDFS同步法"实现短程作用力有效的分子动力学模拟的并行算法。在一个Hadoop集群上测试和分析了程序的可扩展性、加速比和各部分耗时情况,结果表明在大规模体系模拟中有较好的效果,最高取得了28倍的加速比。实验证明,Hadoop并行技术在分子模拟中有着较高的经济价值和实用价值。     

近程作用分子动力学模拟的两级并行

分子动力学作为一种重要的计算手段在许多领域有着广泛的应用，由于它的计算量比较庞大，因此并行计算方法被越来越多地引入到分子动力学的模拟中。本文在目前常见的SMP集群系统上，根据系统的结构特点，针对分子动力学的三种并行算法：区域分解法、原子分解法和力分解法，利用MPI Pthread的混合编程模型，采用节点间消息传递模式以及节点内部共享存储的编程模式，实现了近程作用分子动力学的两级并行计算。计算结果表明，不同的算法采用了两级并行的方式和原来只有消息传递的并行方式相比，具有不同的计算效率，但是从总体来说采用两级并行的计算方式可以利用更多的计算资源，从而有助于提高计算能力。     

分子动力学模拟HEWL晶体在不同环境中的动力学行为

简要阐述分子动力学模拟的原理及步骤,介绍研究溶菌酶的一般方法和优缺点。在Ubuntu操作系统环境下,利用Gromacs软件和其自带的Gromos96力场,通过分子动力学模拟(MD)鸡蛋清溶菌酶晶体(chicken egg-whitelysozyme,HEWL)溶液,考察真空、水溶液和加入NaCl 3种不同环境条件对溶菌酶晶体构象动力学行为的影响,发现无论从均方根位移(rmsd)、回旋半径、还是从B因子值的轨迹图分析,HEWL在水溶液特别是加入抗衡离子(Na~+,Cl~-)的水溶液的环境下的结构更稳定、合理,与(protein data bank)数据库的真实情况相符。原因是Cl~-与溶菌酶晶体在界面处发生了吸附现象,局部形成溶菌酶-Cl~-复合物,抑制了蛋白-水合物中水分子在相邻水合位置间的跳跃,从而使单晶体在离子液态中更加稳定。模拟结果表明,在pH值6.5,等电位点13.1,总电荷7.999 6的体系下,影响HEWL的吸附位点为123号残基(色氨酸),对从分子水平上解释HEWL晶体的动力学吸附行为具有重要指导意义。