海洋工程原型软管甲烷渗透试验

柔性软管是海洋资源开发的关键性装备，在油气输送过程中，内管中的甲烷、二氧化碳、硫化氢、水蒸气等气体小分子可逐渐渗透内压密封层，严重危害软管服役安全。为保证软管安全稳定运行，探究甲烷渗透规律，对常温条件下高密度聚乙烯（High Density Polyethylene,HDPE）原型软管进行了渗透试验。结果表明：(1)甲烷在HDPE管材中的渗透行为可大致分为溶解扩散期、缓慢解吸期及快速解吸期3个阶段，时间比例为1:6:5，第2阶段的均值气体透过率是第3阶段的1/3。(2) HDPE聚合物材料饱和溶解甲烷分子后，环空压力与气体透过率呈负指数函数关系。(3)发现了甲烷的超临界渗透特性，即试验压力在甲烷的临界压力附近时，气体透过率达到峰值；试验压力小于临界压力时，试验压力越大，气体透过率越大；反之，试验压力越大，气体透过率越小。研究成果可为柔性软管在海洋油气开发工程中的应用及新材料研发提供参考。（图7，表1，参20）     

地下水曝气修复MTBE污染土壤过程中物化参数的确定

采用吸附实验,研究了地下水曝气(air sparging,AS)修复MTBE污染土壤过程中MTBE在不同颗粒度的石英砂下的吸附参数、有效扩散系数和相间传质系数.结果表明,Freundlich等温吸附方程可以很好地描述MTBE在石英砂中的吸附行为,并且由此算出的粗砂,混合砂和细砂的吸附常数K随着颗粒度的减小相应增大,依次为6.855E-04、1.854E-03和1.910E-03.在有效扩散系数的计算中,本文用扩散模型拟合出MTBE在干燥土壤中的有效扩散系数Deff=3.748×10-6m2·s-1,并且拟合回归参数R2=0.997,非常接近1.0,这表明本实验采用的方法可以可靠地确定有机物在土壤中的有效扩散系数.在相问传质系数的分析中,本文采用经验公式计算出MTBE(NAPL)-水-气三相在土壤中的相间传质速率系数,计算结果表明,NAPL-水相平衡可看作瞬态平衡过程,并且相间传质速率常数主要取决于砂子的比表面积,而在气-水相和NAPL-气相中,它们的相间传质速率系数与空隙率有关.     

基于MCM骨料模型的氯离子侵蚀混凝土模拟研究

【目的】研究混凝土中氯离子的扩散特性和有效数值模拟方法。【方法】基于FICK第二定律和MCM(Monte Carlo method,蒙特卡洛法)生成包含界面过渡区的随机骨料,利用有限元计算方法进行混凝土中氯离子扩散的数值模拟,采用三相复合胞体、随机骨料2种不同的计算模型,对扩散过程分析中的重要参数即氯离子扩散系数进行计算,并将2种模型计算方法各自所得的3组扩散系数分别与已有3组不同骨料体积率试验结果进行比较。【结果】数值计算结果与试验结果一致性良好,三相复合胞体、随机骨料2种模型之间的复杂程度不同也决定了两者计算的精确性不同,其中随机骨料模型的计算结果更为准确,用其得到的3组计算结果(骨料体积率分别为10%,20%和30%)与试验结果的相对误差分别仅为1.36%,0.30%和1.75%。【结论】带界面过渡区的随机骨料模型能够很好地应用于混凝土的数值建模,可应用于混凝土侵蚀性研究。     

金属离子-质膜相互作用的分子动力学模拟研究

为研究植物根表质膜与土壤溶液界面上的双电层结构对金属离子在质膜上吸附以及吸收的影响,从分子水平探讨质膜表面电势下金属离子与质膜的相互作用,建立了质膜与金属溶液的界面模型,采用分子动力学方法模拟了质膜界面K~+、Na~+、Ca~(2+)、Mg~(2+)等碱/碱土金属阳离子与Cu~(2+)、Cd~(2+)等重金属离子的结合与分布过程。通过对吸附构型、浓度分布等统计分析,发现阳离子在质膜表面主要与质膜头部的羰基和磷酸基团等极性基团结合;二价阳离子吸附作用比一价阳离子更为强烈,并造成质膜表面电势的反转,直接控制着扩散层中离子的分布特征。分子动力学模拟结果与描述界面双电层结构的Gouy-Chapman-Stern(GCS)经典理论很好地吻合,可以从分子水平预测和解释金属阳离子与质膜相互作用的动态过程。     

碳纳米管吸附特性的分子模拟研究简

碳纳米管是一种重要的一维纳米材料,具有许多独特的力学、电学和化学性质。碳纳米管的吸附特性一直是碳纳米管领域研究的一个热点。碳纳米管特性的分子模拟研究主要有2种方法,一种是密度泛函理论方法,另一种是分子动力学模拟方法。该研究对碳纳米管的结构特征进行了介绍,重点对碳纳米管吸附特性的密度泛函理论研究和分子动力学模拟研究进展进行了综述,同时简要介绍了密度泛函理论和分子动力学模拟这2种分子模拟,展望了分子模拟研究方法在碳纳米管吸附特性研究方面的发展方向。     

碳纳米管吸附特性的分子模拟研究

碳纳米管是一种重要的一维纳米材料,具有许多独特的力学、电学和化学性质。碳纳米管的吸附特性一直是碳纳米管领域研究的一个热点。碳纳米管特性的分子模拟研究主要有2种方法,一种是密度泛函理论方法,另一种是分子动力学模拟方法。该研究对碳纳米管的结构特征进行了介绍,重点对碳纳米管吸附特性的密度泛函理论研究和分子动力学模拟研究进展进行了综述,同时简要介绍了密度泛函理论和分子动力学模拟这2种分子模拟,展望了分子模拟研究方法在碳纳米管吸附特性研究方面的发展方向。     

海底管道泄漏天然气扩散规律数值模拟

为研究浅水区域海底管道泄漏天然气扩散规律,减少重大事故的发生,基于计算流体动力学(CFD)理论,建立海底天然气管道泄漏事故后果预测和评估模型。通过用户自定义函数(UDF)给出海流流速分布情况,结合VOF模型和k-e湍流模型,实现对泄漏天然气扩散行为的模拟,研究不同泄漏速率、泄漏孔径及海流流速对天然气在海水中扩散行为的影响。结果表明:海底天然气泄漏扩散大致经历气云团→大气泡→小气泡3种形态的变化过程;泄漏速率越大,扩散气体气泡半径越大,与海水掺混比例越小,抵达海面的时间越短;泄漏孔径变化对天然气扩散的影响与泄漏速率变化影响相同,但泄漏孔径变化对天然气扩散形态的影响更为明显;海流流速越大,气体扩散轨迹与海底的夹角越小,沿海流方向的扩散距离越大。     

共聚物水凝胶接触镜材料中氧气渗透及其影响因素

以N-乙烯吡咯烷酮(NVP)、甲基丙烯酸2-羟乙酯(HEMA)以及甲基丙烯酸甲酯(MMA)、甲基丙烯酸乙酯(EMA)或甲基丙烯酸丁酯(BMA)为原料,制备共聚物水凝胶角膜接触镜材料,分析了氧气在水凝胶膜中的渗透机理,建立了氧气在水凝胶膜中的扩散模型,并采用等压渗透法测定了水凝胶膜的透氧性能.结果表明,氧气在水凝胶膜中的扩散过程同时受到水凝胶中结合水水分子、自由水水分子以及高聚物大分子链无规则热运动的影响,但水凝胶中结合水水分子和高聚物大分子链的无规则热运动对氧气分子扩散行为的影响可以忽略不计;氧气分子在水凝胶中的扩散行为主要受水凝胶中自由水水分子无规则热运动的影响;水凝胶膜的交联网络结构对氧气的扩散过程起过滤作用.在一定范围内,温度越高、含水量越大、交联密度越低,共聚物水凝胶接触镜材料的透氧性能越高.     

胶质沥青质对含蜡原油胶凝特性的影响研究进展

蜡晶析出形成三维网络结构是导致含蜡原油胶凝的直接原因,作为极性组分的胶质沥青质与蜡分子相互作用,会参与蜡结晶过程,改变析蜡特性,使原油胶凝行为研究趋于复杂。胶质沥青质与蜡分子间的微观动力学行为对介观蜡晶形态产生影响,进而在含蜡原油多相体系宏观流变性能上发挥决定性作用。在此从宏观层面基于流变实验归纳了胶质沥青质对含蜡原油流变性的影响及表征方法;从介观层面借助显微实验和分子模拟分析了胶质沥青质对蜡晶形态和粒度大小的影响,以及胶质沥青质与蜡晶间的协同作用机理;从微观层面通过分子动力学模拟介绍了分子聚并及相间作用,论述了胶质沥青质分子对含蜡原油胶凝特性的影响。最后提出分子动力学模拟含蜡原油胶凝领域的应用前景,以期为含蜡原油管道输送技术的发展奠定理论基础,对降凝剂的研发与应用提供参考。（图7,表1,参64）     

脱支链葡甘聚糖单链螺旋构象的研究

目的:研究支链对魔芋葡甘聚糖(KGM)分子螺旋结构的影响规律及脱支链KGM分子链构象形态.方法:采用不同外场条件下真空中分子动力学模拟的研究方法.结果:研究表明支链是维持KGM分子螺旋结构的重要基团,脱支链KGM分子链的螺旋构象是由局部的折叠片段组合而成;脱除支链后的KGM的构象更稳定,且真空中对分子链构象影响最大的非键合作用力仍是静电作用,当温度高于343K时脱支链KGM的螺旋构象消失,分子链呈现直链伸展状态.结论:分子动力学模拟方法是研究脱支链KGM螺旋结构的一种有效手段.     

Interstitial collagenase is a Brownian ratchet driven by proteolysis of collagen

We show that activated collagenase (MMP-1) moves processively on the collagen fibril. The mechanism of movement is a biased diffusion with the bias component dependent on the proteolysis of its substrate, not adenosine triphosphate (ATP) hydrolysis. Inactivation of the enzyme by a single amino acid residue substitution in the active center eliminates the bias without noticeable effect on rate of diffusion. Monte Carlo simulations using a model similar to a "burnt bridge" Brownian ratchet accurately describe our experimental results and previous observations on kinetics of collagen digestion. The biological implications of MMP-1 acting as a molecular ratchet tethered to the cell surface suggest new mechanisms for its role in tissue remodeling and cell-matrix interaction.     

Coalescence of single-walled carbon nanotubes

The coalescence of single-walled nanotubes is studied in situ under electron irradiation at high temperature in a transmission electron microscope. The merging process is investigated at the atomic level, using tight-binding molecular dynamics and Monte Carlo simulations. Vacancies induce coalescence via a zipper-like mechanism, imposing a continuous reorganization of atoms on individual tube lattices along adjacent tubes. Other topological defects induce the polymerization of tubes. Coalescence seems to be restricted to tubes with the same chirality, explaining the low frequency of occurrence of this event.     

Rapid actin transport during cell protrusion

Transformed rat fibroblasts expressing two variants of green fluorescent protein, each fused to beta-actin, were used to study actin dynamics during cell protrusion. The recently developed FLAP (fluorescence localization after photobleaching) method permits the tracking of one fluorophore after localized photobleaching by using the other as a colocalized reference. Here, by visualizing the ratio of bleached to total molecules, we found that actin was delivered to protruding zones of the leading edge of the cell at speeds that exceeded 5 micrometers per second. Monte Carlo modeling confirmed that this flow cannot be explained by diffusion and may involve active transport.     

壳聚糖衍生物阻垢缓蚀的量子化学研究

针对线型高分子具有重复单元的结构特点,提出一种优化算法.以壳聚糖(CTS)和羧甲基壳聚糖(CM-CTS)为例,利用GaussView 6.0软件对两种分子进行了量子化学计算,对其分子结构、前线轨道能级、电子云密度、原子电荷分布、作用基团空间密度和链柔性进行分析,初步探讨了它们的阻垢缓蚀性能.计算结果表明,CTS和CM-...     

Simulations of the folding of a globular protein

Dynamic Monte Carlo simulations of the folding of a globular protein, apoplastocyanin, have been undertaken in the context of a new lattice model of proteins that includes both side chains and a-carbon backbone atoms and that can approximate native conformations at the level of 2 angstroms (root mean square) or better. Starting from random-coil unfolded states, the model apoplastocyanin was folded to a native conformation that is topologically similar to the real protein. The present simulations used a marginal propensity for local secondary structure consistent with but by no means enforcing the native conformation and a full hydrophobicity scale in which any nonbonded pair of side chains could interact. These molecules folded through a punctuated on-site mechanism of assembly where folding initiated at or near one of the turns ultimately found in the native conformation. Thus these simulations represent a partial solution to the globular-protein folding problem.     

有机磷酸酯类化合物定量结构-色谱保留关系及稳健性分析

以分子拓扑指数作为结构描述符,采用最佳子集回归方法,建立了35种有机磷酸酯类化合物在3种不同极性固定相上的定量结构-色谱保留关系(QSRR)模型。3个QSRR模型均具有良好的拟合能力,对QSRR模型分别进行了交叉验证及外部数据集验证,结果表明各模型具有较强的预测能力。对QSRR模型的系数、标准误差及相关系数均进行了蒙特卡洛模拟,结果证实蒙特卡洛方法可用于QSRR模型的稳健性分析。     

多因子欧式期权定价的主成分蒙特卡罗加速方法

针对多个随机因子的欧式期权定价问题,提出了一种基于主成分分析的多元控制变量的蒙特卡罗加速框架.其核心思想是,使用单个主成分替换收益函数中的原始随机变量以便更易获得定价问题的精确值,从而可将近似的收益函数作为控制变量.由于主成分的独立性,使用多元控制变量的蒙特卡罗模拟方法比单个控制变量具有更好的加速效果.对多资产期权和亚式期权的数值实验验证了本文算法的高效性和稳定性.     

基于二维信息扩散模型的收入保险费率厘定：方法与实证

为探究小样本情况下农作物收入保险费率厘定方法,构建了非均匀布点的二维信息扩散模型,设计了利用信息扩散技术测算收入保险费率的方法和步骤,采用蒙特卡洛模拟方法验证了二维信息扩散模型的估计效率。结果表明:在小样本情况下,非均匀布点的二维信息扩散模型具有更好的估计效率,能够提高收入保险费率的估计精度;以河北省玉米收入保险为例,运用二维信息扩散模型测算出其纯费率为8.29%。本研究提出的费率厘定方法有助于提高小样本条件下的农作物收入保险费率厘定精度,有利于收入保险高质量发展。     

Use of taylor-aris dispersion for measurement of a solute diffusion coefficient in thin capillaries

A method for the fast measurement of the diffusion coefficients of both small and large molecules in thin capillaries is reported. The method relies on Taylor-Aris dispersion theory and uses standard instrumentation for capillary zone electrophoresis. With this equipment, which consists of thin capillaries (50 to 100 micrometers in inner diameter), an injection system, detector ports, and computer data acquisition, a sample plug is pumped through the capillary at known velocity and the peak dispersion coefficient (D(*)) is measured. With the experimentally measured values of D(*) and flow velocity, and knowledge of the inner diameter of the capillary, the molecular diffusion coefficient (D) can be rapidly derived. For example, for ovalbumin a D value of 0.759 x 10(-6) square centimeter per second is found versus a tabulated value of 0.776 x 10(-6) square centimeter per second (error, 2 percent). For hemoglobin a D value of 0.676 x 10(-6) square centimeter per second is obtained versus a literature value of 0.690 x 10(-6) square centimeter per second (error, 1.5 percent).     

Atom collision-induced resistivity of carbon nanotubes

We report the observation of unusually strong and systematic changes in the electron transport in metallic single-walled carbon nanotubes that are undergoing collisions with inert gas atoms or small molecules. At fixed gas temperature and pressure, changes in the resistance and thermopower of thin films are observed that scale as roughly M(1/3), where M is the mass of the colliding gas species (He, Ar, Ne, Kr, Xe, CH4, and N2). Results of molecular dynamics simulations are also presented that show that the maximum deformation of the tube wall upon collision and the total energy transfer between the colliding atom and the nanotube also exhibit a roughly M(1/3) dependence. It appears that the transient deformation (or dent) in the tube wall may provide a previously unknown scattering mechanism needed to explain the atom collision-induced changes in the electrical transport.