替代燃料输运性质的分子模拟及实验测量

• 作 者: 刘双硕
• 出 处: 东北电力大学
• 发表日期: 2020年01期

化石燃料的过度开采和使用不仅造成了严重的环境问题还导致了能源的短缺,面对能源危机的加剧,寻找可替代传统能源的燃料成为了各国学者研究的热点问题。生物柴油是一种非常出色的替代燃料,此外脂肪醇类不仅可以单独作为替代燃料使用,还可与其他传统燃料进行混合用于改善其物理化学性质。导热系数作为基本的热物理性质,是内燃机设计的基础参数;粘度同样作为基础的物理性质之一,影响着燃料做功时的雾化特性以及机械的磨损。本课题通过分子动力学模拟结合实验测量的方法对脂肪醇类及生物柴油的热物性进行了探究。本文利用分子动力学模拟方法计算了七种脂肪醇和三种脂肪酸甲酯的导热系数和粘度,并从微观层面分析了分子链长和温度对导热系数的影响;利用瞬态热线法对脂肪醇的导热系数进行精确测量,结果表明:1.采用非平衡态分子动力学（NEMD）方法,在OPLS-AA力场中通过大量的模拟运算证明了此方法计算有机物导热系数的可行性,模拟结果与实验数据呈现出相同的变化趋势且二者的相对偏差在7%以内,吻合较好。2.在对热传导的模拟中发现,在同温同压条件下,随着碳原子数的增加,分子相互作用占比逐渐增大且在能量传输中起主要作用。在分子相互作用中,分子间相互作用项逐渐减少,而分子内相互作用项逐渐增大,且二者与分子相互作用比值的交点与七种正醇导热系数最低点相吻合;随着温度的升高,分子相互作用贡献项的占比下降,而对流贡献项逐渐增大。温度的升高导致了分子热运动的加剧,由动能引起的能量耗散增大。此外,温度的升高导致了液体密度的减小,即单位体积内的分子数量减少,能量传输效率降低,使得导热系数逐渐减小。3.通过对醇类分子径向分布函数的计算分析,探究了醇类分子中四种主要原子对（O-O、O-H、O-C和C-C）随碳原子数和温度的变化情况,结果表明:O-O、O-H和C-C原子对不受碳原子数变化的影响,但随着碳原子数的增大,O-O和O-H原子对的峰值逐渐增大,但乙醇稍大于正丙醇,C-C原子对峰值的分布较为集中;对于O-C原子对,除乙醇外,其余六种醇类原子对的峰值随碳原子数增大而减小,且峰值位置逐渐远离中心原子;而随着温度的升高,四种原子对的峰值减小,峰值位置不发生改变。4.采用NEMD方法,对癸酸甲酯、月桂酸甲酯和肉豆蔻酸甲酯的导热系数在压力范围为0.1至15MPa,温度范围为332-372K进行了模拟计算,模拟结果与实验数据的最大相对偏差为-8.87%,二者吻合较好。并在更大的压力和温度范围进行了预测,结合所得结果发现,三种脂肪酸甲酯的导热系数随温度的升高而减小并呈现出线性关系。5.采用RNEMD方法在298K下对正丙醇至正辛醇的粘度进行计算。此外,以正丙醇为例计算了其粘度随温度和压力的变换情况。与实验数据相比,模拟结果与其相对偏差在15%以内,吻合较好,证明了此模型可用于计算醇类粘度。6.在标准大气压,温度范围为293-363K的条件下,对七种脂肪醇（乙醇、丙醇、正丁醇、正戊醇、正己醇、正庚醇和正辛醇）的导热系数进行了精确测量。基于所得实验数据发现,七种液态脂肪醇的导热系数随温度升高而降低;在同温同压条件下,七种液态脂肪醇的导热系数呈现出先减小后增大的趋势,即C2（乙醇）至C5（正戊醇）的导热系数逐渐减小,当分子链继续延长,其导热系数缓慢增大。