基于修正零势能面的单组分碳氢燃料能量性质预测方法

医药医疗技术的改进;医疗器械制造及应用技术1.本发明涉及碳氢燃料技术领域，特别涉及基于修正零势能面的单组分碳氢燃料能量性质预测方法。背景技术：2.碳氢燃料是指分子式中仅包含碳原子和氢原子的化合物总称，它广泛应用于火箭发动机、涡轮发动机、冲压发动机等各类动力机械，是能源动力装置必不可少的液体燃料之一。3.但是随着“双碳”目标的提出，实现经济高质量发展和碳达峰、碳中和目标对碳氢燃料能量性质的应用及应用工况拓展提出了新的要求。液体燃料的温度与压力超过某一值时，气液界面消失，成为均相体系，相应的温度与压力称为临界点。高于临界点的碳氢燃料对温度与压力的改变十分敏感，具有液体与气体的双重特性，能量性质十分独特。传统动力机械中碳氢燃料的工况范围通常处于临界点下，而随着科技发展及“双碳”要求的节能减排目标，碳氢燃料工作范围已逐渐拓展至临界点以上的高温高压工况。因此需要对宽温度、压力范围下的碳氢燃料能量性质进行深入研究。4.现有技术中对碳氢燃料能量性质的获取方法一般有两种，即仿真计算和实验测量。实验测量费时费资费力，且数据有限。而仿真计算则主要基于宏观状态方程的(半)经验模型，需根据不同工况调整模型参数，而参数多基于经验所得，计算精度有限。传统的分子动力学可以用来粗略估计单组分碳氢燃料的能量性质随温度压力的变化趋势，但对于具体的能量性质数据值却缺乏一定的计算与预测方法。5.目前，对于碳氢燃料能量性质方面的研究较少。现有的美国国家标准与技术研究院(nist)数据库对各种碳氢燃料的能量性质进行计算，是公认的能量性质较为全面的数据库，但所涉及的工况有限，且无法得知其计算原理，不能获得临界状态之后的碳氢燃料能量性质。技术实现要素：6.为了解决现有技术中存在的不足，本发明提出了基于修正零势能面的单组分碳氢燃料能量性质预测方法，能够预测更大温度压力范围下的单组分碳氢燃料内能、焓、熵等能量性质。7.本发明所采用的技术方案如下：8.基于修正零势能面的单组分碳氢燃料能量性质预测方法，包括如下步骤：9.s1：第一阶段：初步计算；10.针对待计算验证单组分碳氢燃料，设定该待计算验证单组分碳氢燃料的温度与压力范围，通过分子动力学在模拟软件中计算该单组分碳氢燃料在该温度与压力范围内所有的内能、焓、熵数据；11.s2：第二阶段：修正处理；12.获取相同温度与压力范围内，该待计算验证单组分碳氢燃料实验测量的内能、焓、熵数据；13.基于待计算验证单组分碳氢燃料实验测量的内能、焓、熵数据，对第一阶段所得内能、焓、熵数据进行修正。s2中修正的方法为：14.s2.1、对第一阶段计算得到的待计算验证单组分碳氢燃料内能、焓、熵数据分别作散点图，并且分别对内能、焓、熵对应的散点图进行多项式曲线拟合；15.s2.2、确定待计算验证单组分碳氢燃料在标准沸点下的工况条件，取该工况条件对应的位置为新的零势能面；16.s2.3、根据该零势能面对应的工况条件，分别在内能、焓、熵对应的拟合曲线上找到对应的零势能面；17.s2.4、分别将内能、焓、熵对应曲线上零势能面对应的值，与实验测量的内能、焓、熵零势能面对应的值作差，分别得到对应的内能、焓、熵差值；18.s2.5、分别利用s2.4中得到的内能、焓、熵差值，对第一阶段计算的数据作修正。19.s3：第三阶段：拓展预测；20.在所设定待计算验证单组分碳氢燃料的温度与压力范围基础上，扩大单组分碳氢燃料的温度及压力范围，再采用第一阶段、二阶段的过程对单组分碳氢燃料在宽温度、压力范围下的内能、焓、熵的能量性质进行预测。21.进一步，所述工况条件具体指在标准沸点下单组分碳氢燃料对应的温度和压力。22.进一步，s2.5中修正的方法为：将第一阶段计算的数据(内能、焓、熵)分别减去对应的差值，得到基于修正零势能面的单组分碳氢燃料的内能、焓、熵的能量性质。23.进一步，单组分碳氢燃料包括各种链烃燃料，即烷烃、烯烃、炔烃。24.进一步，s1中的模拟软件采用lammps开源软件。25.进一步，从nist数据库中获取s2中需要的待计算验证单组分碳氢燃料实验测量的内能、焓、熵数据。26.进一步，s1中待计算验证单组分碳氢燃料的温度与压力范围是由nist数据库中选取的单组分碳氢燃料对应的数据决定的。27.进一步，s1中计算单组分碳氢燃料的内能、焓、熵的方法为：28.s1.1、在lammps开源软件中搭建单组分碳氢燃料分子体系模型；29.s1.2、根据单组分碳氢燃料单个分子的质量和速度代入动能公式，计算单组分碳氢燃料单个分子的动能，求和得到整个体系的动能；30.s1.3、根据分子间的距离及分子结构的变化计算分子体系的势能，主要包括键伸缩势能、键角弯曲势能、二面角扭转势能以及分子内和分子间的范德华作用力；将单组分碳氢燃料分子体系的动能与势能相加得到总内能，除以分子数即为单组分碳氢燃料的内能；31.s1.4、将上述所得的单组分碳氢燃料的内能代入焓的定义式中计算出单组分碳氢燃料体系的焓值；再根据热力学第二定律计算出熵。32.进一步，s3中扩大单组分碳氢燃料的温度及压力范围的方法为：将单组分碳氢燃料的温度及压力范围扩大到临界点以上的范围。33.本发明的有益效果：34.本发明在采用分子动力学初步计算能量性质基础上，修正分子体系的零势能面，得到计算结果更为精确可靠的能量性质数值，继而拓展到宽温度、压力工况下，得到单组分碳氢燃料在宽温度、压力范围下的能量性质预测值。35.针对目前碳氢燃料能量性质研究较少且计算误差较大等问题，本发明可以达到相对准确可靠计算单组分碳氢燃料内能、焓、熵等值的目的，每个工况算例采用20核计算仅需3-6个小时不等，计算成本低，耗时短，准确性较高。附图说明36.图1是本方法的流程图；37.图2是本发明具体实施例中单组分碳氢燃料的内能计算结果示意图；38.图3是采用本发明计算方法所预测的超临界工况下单组分碳氢燃料的内能结果图。具体实施方式39.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。40.单组分碳氢燃料包括各种链烃燃料，即烷烃、烯烃、炔烃。在本实施例中仅选取烷烃中的正庚烷做详细说明。其他几种单组分碳氢燃料也同样适用本方法。41.能量性质计算模拟在lammps开源软件下采用分子动力学方法进行，三种能量性质计算采用同一初始模型，同一原子力场(sks联合原子力场)。由于正庚烷分子链较短，每个分子上基团数量也较少，因此取分子数选取1000个即可。初始模型密度为液相密度，确保初始模型与实际工况下燃料相态一致。42.本发明具体实施例中，正庚烷体系的工况条件为输入温度参数、输入压力参数及输入分子数参数。在第一阶段和第二阶段，工况参数选择nist数据库中已有工况，分子体系所采用的温度分别为185k、200k、250k、300k、350k、400k、450k、500k、540k，压力为该温度下对应饱和液相压力，通过npt系综来达到预设的温度及压力工况。43.图1为本发明所涉及的基于修正零势能面的单组分碳氢燃料能量性质预测方法流程图。如图1所示，本发明具体实施例的正庚烷能量性质计算方法，包括三个阶段，具体为：44.步骤s1：第一阶段：初步计算。模拟采用real单位，设置正庚烷体系的初始速度随机，满足麦克斯韦-玻尔兹曼分布。根据正庚烷单个分子的质量和速度代入动能公式计算正庚烷单个分子的动能，求和得到整个体系的动能。45.继而根据分子间的距离及分子结构的变化计算分子体系的势能，主要包括键伸缩势能、键角弯曲势能、二面角扭转势能以及分子内和分子间的范德华作用力。将正庚烷分子体系的动能与势能相加即为1000个正庚烷的内能，除以分子数即为正庚烷每摩尔的内能。46.在微观层面，热力学定律依然适用。因此，将上述所得的正庚烷内能代入焓的定义式中计算出正庚烷体系的焓值。继而，根据热力学第二定律计算出正庚烷分子体系的熵。47.步骤s2：第二阶段：修正处理。48.由于第一阶段所得的正庚烷的内能、焓、熵的结果与nist数据库中实验测量的正庚烷的内能、焓、熵的趋势一致，但数值却有较大差异。49.经研究发现，主要原因在于分子体系中零势能面的选取有所不同。因此，对第一阶段所得正庚烷的内能、焓、熵的进行修正，50.s2.1、对第一阶段计算得到正庚烷对应的内能、焓、熵分别作散点图，并且分别对内能、焓、熵对应的散点图进行多项式曲线拟合；51.s2.2、确定正庚烷在标准沸点下的工况条件(具体指温度和压力)，取该标准沸点下工况条件对应的位置为新的零势能面，确保与nist数据库中实验测量的正庚烷内能、焓、熵的零势能面相同；52.s2.3、根据该零势能面对应的工况条件，分别在内能、焓、熵对应的拟合曲线上找到对应的零势能面；53.s2.4、分别将内能、焓、熵对应曲线上零势能面对应的值，与实验测量的内能、焓、熵零势能面对应的值作差，分别得到对应的内能、焓、熵差值；以内能为例，将内能拟合曲线上对应零势能面的内能值，与实验测量的对应零势能面的内能值作差，得到内能差值；焓、熵差值计算方法类似；54.s2.5、分别根据差值对第一阶段计算的数据作修正，修正的方法为：将第一阶段计算的数据(内能、焓、熵)分别减去对应的差值，得到基于修正零势能面的正庚烷分子体系的内能、焓、熵等能量性质。55.以内能为例，将第一阶段计算的内能数据减去第二阶段计算的内能差值，作差之后的内能数据作为修正后的内能数据，焓、熵修正方法类似。56.图2为具体实施例中饱和液相正庚烷的内能结果图，图中的初步计算值曲线即为lammps软件默认的零势能面所获得的内能初步计算数据，而修正计算值即为经过第二阶段重选新的零势能面而获得的内能修正计算数据，经与常用的美国国家标准与技术研究院(nist)数据库对比后，可明显看出修正后的内能计算值吻合更好，贴近真实试验值。57.步骤s3：第三阶段：拓展预测。基于s1-s2,将输入工况范围拓展到温度250-2000k、压力100atm、分子数1000。58.由于分子动力学模拟不需要任何假设及规定，且分子体系物性的研究只涉及分子的物理运动过程，因此，同样的模型不受工况的影响而有所改变。因而，对于单组分碳氢燃料能量性质的计算研究，可以采用相同的分子体系及计算方法预测单组分碳氢燃料在宽温度、压力范围下的内能、焓、熵等能量性质。59.在本发明具体实施例中，第三阶段采用同第一、二阶段相同的正庚烷体系模型及计算方法，计算正庚烷在高温高压下的内能、焓、熵。目前已有正庚烷的能量性质数据只能达到温度为600k，缺少高于600k的能量性质数据，而本发明可以弥补这一不足。图3为采用本发明计算方法所预测的高温高压下液态正庚烷的内能结果图(圆形点为目前已有的取自nist数据库的内能数据，方框点为本发明计算方法所预测的高温高压下正庚烷内能数据)，该结果表明本发明计算方法具有预测宽温度、压力范围内单组分碳氢燃料能量性质的能力。60.本发明所提出的计算方法可以准确可靠地预测单组分碳氢燃料在宽温度、压力范围下的内能、焓、熵等能量性质，计算每个工况算例采用20核仅需3-6个小时，计算成本低，耗时短，计算工况覆盖范围广，准确性较高。61.以上实施例仅用于说明本发明的设计思想和特点，其目的在于使本领域内的技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，本发明的保护范围不限于上述实施例。所以，凡依据本发明所揭示的原理、设计思路所作的等同变化或修饰，均在本发明的保护范围之内。









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