ReaxFF MD模拟揭示的煤热解挥发分自由基反应的竞争与协调

挥发分自由基的行为对调控煤热解焦油产物十分重要,但实验方法直接获得其化学反应存在困难。利用化学反应分子动力学 ReaxFF MD 模拟方法,结合基于GPU高性能计算和化学信息学分析,研究了煤基体中挥发分自由基（基本单元）及其涉及的分子群（系统）在热解过程中的演化规律,着重考察了挥发分自由基参与的被稳定反应和缩聚反应在煤热解过程中的竞争协调关系。大规模ReaxFF MD模拟结果表明,随温度升高,煤热解过程可分成三个区域：被稳定反应占主导的区域、被稳定和缩聚反应竞争区域和缩聚反应占主导的区域。其中被稳定反应占主导的区域主要发生在较低温或反应前期,使得焦油收率升高;缩聚反应占主导的区域出现在高温阶段或反应后期,使得煤热解结焦加剧。当热解体系处于从被稳定反应占主导到被稳定和缩聚反应竞争激烈的转折点时,焦油收率出现最大值;当处于从两类反应竞争激烈到缩聚反应占主导的转折点时,焦炭产物开始大量生成。煤热解中挥发分自由基参与的两类相互竞争的化学反应控制着煤热解过程中焦油收率的演化,可为调控焦油生成,以进一步获得高品质化学品提供理论指导。     

一种属性相关性的加权贝叶斯分类算法研究

根据RoughSet属性重要度理论,构建了基于互信息的属性子集重要度,提出属性相关性的加权朴素贝叶斯分类算法,该算法同时放宽了朴素贝叶斯算法属性独立性、属性重要性相同的假设。通过在UCI部分数据集上进行仿真实验,与基于属性相关性分析的贝叶斯(CB)和加权朴素贝叶斯(WNB)两种算法做比较,证明了该算法的有效性。     

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。     

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。