化學(xué)非平衡流動(dòng)仿真的案例
北林郝翔CCS Chem：化學(xué)能驅(qū)動(dòng)的非平衡態(tài)主客體仿生組裝材料
有別于傳統(tǒng)熱力學(xué)自組裝的方式，模擬這種化學(xué)能量驅(qū)動(dòng)的耗散自組裝是真正構(gòu)造仿生材料的基礎(chǔ)。
圖1. 化學(xué)能驅(qū)動(dòng)的競爭型非平衡主客體系統(tǒng)策略示意圖
北京林業(yè)大學(xué)青年教師郝翔長期致力于化學(xué)能驅(qū)動(dòng)的非平衡態(tài)系統(tǒng)材料研究，在前期相繼實(shí)現(xiàn)ATP能量驅(qū)動(dòng)的人工脈沖組裝體和微膠囊（ACS Macro Lett. 2017, 6, 1151, ACS Editors’Choice；Adv. Sci., 2018, 5, 1700591），非平衡態(tài)聚合凝膠材料（Chem Eng J，2020, 382, 122926）以及化學(xué)能驅(qū)動(dòng)的非平衡態(tài)流體的基礎(chǔ)上（Angew. Chem. Int. Ed. 2020, 59, 4314 –4319；ChemPlusChem 2020, 85, 1190–1199），最近開發(fā)了一類ATP驅(qū)動(dòng)的仿生“競爭”型非平衡態(tài)主客體材料體系。在該體系中，通過賦予傳統(tǒng)能量分子-ATP雙重角色：化學(xué)能量單元和“耗散”型競爭客體，實(shí)現(xiàn)了ATP驅(qū)動(dòng)的主客體非平衡態(tài)系統(tǒng)的建立，并成功將此策略運(yùn)用于化學(xué)能驅(qū)動(dòng)的宏觀凝膠和微凝膠仿生材料制備上（圖1）。
該策略通過合成一系列仿生受體環(huán)糊精結(jié)構(gòu)糖單元（β-CD），使其對(duì)能量分子ATP具有非常高的結(jié)合作用，結(jié)合常數(shù)達(dá)到106 M-1；而環(huán)糊精結(jié)構(gòu)糖單元對(duì)通常的客體分子如金剛烷（ADA），其結(jié)合常數(shù)只有104 M-1。利用模型化合物實(shí)驗(yàn)可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)ATP分子加入到β-CD/ADA中時(shí)，ATP會(huì)迅速破壞β-CD/ADA的結(jié)合而以“鳩占鵲巢”方式占據(jù)主體的空腔，但ATP緩慢酶解后的產(chǎn)物如ADP或者AMP卻無法實(shí)現(xiàn)對(duì)β-CD/ADA結(jié)合的破壞（圖1）。
展開 液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)噴管仿真模型
“液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)噴管仿真模型研究”一文以典型的液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)（3kN空間發(fā)動(dòng)機(jī)，120噸級(jí)液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī)，260噸級(jí)液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī)）噴管為例，深入討論氣體模型、化學(xué)反應(yīng)模型等因素對(duì)仿真結(jié)果的影響，并進(jìn)一步厘清影響噴管性能的物理因素。
02
創(chuàng)新點(diǎn)
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文章詳細(xì)對(duì)比了采用不同氣體模型所計(jì)算的流場(chǎng)參數(shù)分布和性能，指出在實(shí)際的非平衡氣體流動(dòng)中，化學(xué)組分的變化起耗散作用。比較了燃燒室壓強(qiáng)對(duì)性能的影響，指出了提高室壓可以增強(qiáng)性能的化學(xué)動(dòng)力學(xué)內(nèi)因。針對(duì)液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī)，探討了噴管型面對(duì)性能的影響。
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總結(jié)與展望
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采用量熱完全氣體假設(shè)所計(jì)算的比沖高于用熱完全氣體假設(shè)的計(jì)算值；這兩種氣體模型給出的計(jì)算結(jié)果偏差較大，可能高于、也可能低于試車結(jié)果，沒有規(guī)律性；化學(xué)動(dòng)力學(xué)計(jì)算結(jié)果比較準(zhǔn)確，接近試車測(cè)試值。提高室壓不僅能提高燃燒效率，也能促進(jìn)聚合反應(yīng)、減小流動(dòng)過程中的化學(xué)動(dòng)力學(xué)損失，使噴管性能提高。對(duì)于液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī)，Rao方法設(shè)計(jì)的噴管型面偏“瘦”，進(jìn)行附面層修正可略提高性能，或在同樣性能要求下略減小噴管長度。
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