CN113128057B - 氧气和水分对c5f10o气体分解行为特性影响的模拟方法及系统 - Google Patents
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Abstract
氧气和水分对C5F10O气体分解行为特性影响的模拟方法及系统，其特征在于，包括以下步骤：步骤1，设计待分解的模拟气体，并设置待分解的模拟气体的化学反应模拟条件；步骤2，对所述化学反应实施至少一次分子反应动力学模拟，获取所述化学反应模拟过程中的分解物变化趋势；步骤3，基于所述分解物变化趋势，利用密度泛函算法获取化学反应模拟过程中分解物的过渡态和能垒。本发明方法能够快速、准确地分析出氧气和水分对C5F10O气体分解行为特性的影响，模拟成本低、结果准确，能够有效的指导充入有C5F10O气体的各类高压设备或电子设备的维护与更换。
Description
技术领域
本发明涉及计算机模拟方法，更具体地，涉及一种氧气和水分对C5F10O气体分解行为特性影响的模拟方法及系统。
背景技术
目前，六氟化硫(SF6)作为传统的绝缘气体被广泛应用于电器设备、电子、冶金等各个领域中。但是，由于SF6具有高温室效应和升温指数，寻找到一种能够替代SF6气体的新型环保绝缘气体，已经引起广泛重视。3M公司开发的全氟戊酮(全氟正丙基乙烯基醚，C5F10O)气体不仅具有较低的温室效应潜能值，还具有与SF6气体相媲美的绝缘性能，因而被认为是新一代最佳的绝缘气体。
现有技术中，C5F10O气体在高温与强电场作用的情况下会分解出大量的小分子产物，如CF4、C2F6、C3F8等。在实际运行过程中，由于高压设备运行过程中不可避免的存在微量的氧气和水分的混入，绝缘气体C5F10O的气体纯度和绝缘性能也会随之下降。为了促进C5F10O气体的安全稳定的使用，对高压设备中微量氧气和水分对C5F10O气体分解过程及分解产物的研究显得十分必要。然而，现有技术中，尚未出现对于C5F10O气体分解过程及分解产物的相关模拟及相关研究。
因此，亟需一种能够准确分析氧气和水分对C5F10O气体分解行为特性影响的模拟方法。
发明内容
为解决现有技术中存在的不足，本发明的目的在于，提供一种氧气和水分对C5F10O气体分解行为特性影响的模拟方法，该方法能够通过ReaxFF快速准确的模拟出C5F10O气体与氧气、水分之间的化学反应过程，并准确计算出该化学反应完成后的获得的分解物种类和数量；通过密度泛函理论可以对上述化学反应的化学势能面和反应路径进行研究，通过对化学反应能垒和主要过渡态结构，从而获得准确的反应路径。
本发明采用如下的技术方案。
本发明第一方面，涉及一种氧气和水分对C5F10O气体分解行为特性影响的模拟方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1，设计待分解的模拟气体，并设置待分解的模拟气体的化学反应模拟条件；步骤2，对化学反应实施至少一次分子反应动力学模拟，获取化学反应模拟过程中的分解物变化趋势；步骤3，基于分解物变化趋势，利用密度泛函算法获取化学反应模拟过程中分解物的过渡态和能垒。
优选地，步骤1中还包括：待分解的模拟气体中包括C5F10O、H2O和O2，且三者分子比例为10：1：1。
优选地，步骤1中还包括：通过AMS软件中的ReaxFF对待分解的模拟气体进行模拟。
优选地，步骤1中还包括：化学反应模拟条件包括：分子边界条件、气体系综类型、系综温控方式。
优选地，步骤1中还包括：分子边界条件中分子设置的模拟边界条件长度为
弛豫方式为温度弛豫，气体系综类型为NVT，系综温控方式为Berendsen升温。
优选地，步骤1中还包括：Berendsen升温的时长为1ps、温度为298K。
优选地，步骤2中还包括：采用AMS软件中的ReaxFF对所述化学反应实施分子反应动力学模拟。
优选地，步骤2中还包括：分子反应动力学模拟中，采用时长为1ns的、温度为300K的Berendsen升温方式。
优选地，步骤2中还包括：分解物变化趋势为所述分解物的分子数量随时间变化的趋势；其中，分解物为区别于C5F10O、H2O和O2三者的其他分子。
优选地，步骤2中还包括：待分解的模拟气体的分解物为HF和COF2。
优选地，步骤3中还包括：密度泛函算法是基于密度泛函软件Gaussian中的B3LYP泛函模型和6-311G(d,p)基组获得的。
优选地，步骤3中还包括：基于化学反应模拟过程中分解物的过渡态生成分解物的能垒。
优选地，步骤3中还包括：
化学反应模拟过程中分解物的能垒计算公式为：
Ebarrier＝ETS-EIS (1)
其中，ETS为初始结构能量，EIS为过渡态结构能量。
优选地，步骤3中还包括：化学反应模拟过程包括：步骤3.1，基于待分解的模拟气体生成CF3；步骤3.2，基于待分解的模拟气体和CF3生成COF3；步骤3.3，基于待分解的模拟气体和COF3生成COF2。
优选地，步骤3中还包括：分解物HF和COF2在步骤3.2中的能垒均大于在步骤3.3中的能垒。
本发明第二方面，涉及一种氧气和水分对C5F10O气体分解行为特性影响的模拟系统，系统用于实现如本发明第一方面中的氧气和水分对C5F10O气体分解行为特性影响的模拟方法。
本发明的有益效果在于，与现有技术相比，本发明中一种氧气和水分对C5F10O气体分解行为特性影响的模拟方法能够快速、准确地分析出氧气和水分对C5F10O气体分解行为特性的影响，模拟成本低、结果准确，能够有效的指导充入有C5F10O气体的各类高压设备或电子设备的维护与更换。
附图说明
图1为本发明氧气和水分对C5F10O气体分解行为特性影响的模拟方法中方法步骤的流程示意图；
图2为本发明氧气和水分对C5F10O气体分解行为特性影响的模拟方法中分子反应动力学模拟和密度泛函算法的流程示意图；
图3为本发明氧气和水分对C5F10O气体分解行为特性影响的模拟方法中基于分子反应动力学模拟得到的分解物变化趋势的示意图；
图4为本发明氧气和水分对C5F10O气体分解行为特性影响的模拟方法中化学反应模拟过程的示意图；
图5为本发明氧气和水分对C5F10O气体分解行为特性影响的模拟方法中获得的分解物过渡态和能垒的示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本申请作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本申请的保护范围。
分子反应动力学(Molecular Reaction Dynamics)又称微观反应动力学，是从原子、分子的微观性质出发，分析分子间的运动及其相互作用，从而深刻地认识化学反应的本质及其规律的一门学科。
分子反应动力学的研究是在现代物理有关分子、原子、激光与激光理论、分子束、能谱等实验技术及电子计算机技术基础之上建立的。它应用现代物理化学的先进分析方法，在原子、分子的层次上研究不同状态和不同分子体系中单分子的基元化学反应的动态结构，反应过程和反应机理。
因此，分子反应动力学能够研究不同能态、不同构型的分子反应特征、分子内部运动和分子之间的碰撞规律等等。通过交叉分子束实验技术、激光诱导荧光、化学发光技术等实验方法，分子反应动力学能够给出反应物分子在空间上的势能面，计算作为反应物初态、产物终态函数的反应几率或反应截面，给出宏观反应动力学方面的信息等等。
现有技术中，通常可以使用AMS软件中的ReaxFF来实现分子模拟，ReaxFF能够在模拟微观尺度下，观测可能发生的化学反应，以及与该化学反应相关的热力学与动力学性质，通常可以对高温热解、燃烧、催化、溶液环境、界面、金属和金属氧化物表面分子反应进行模拟。
密度泛函理论(DFT，Density functional theory)是电子结构理论的经典方法，能够用语研究多电子体系的电子结构。密度泛函理论的主要目标就是用电子密度取代波函数做为研究的基本量。作为凝聚态物理计算材料学和计算化学领域最常用的方法之一，密度泛函理论在研究分子和凝聚态的性质等参数的应用中十分便捷。
图1为本发明氧气和水分对C5F10O气体分解行为特性影响的模拟方法中方法步骤的流程示意图。图2为本发明氧气和水分对C5F10O气体分解行为特性影响的模拟方法中分子反应动力学模拟过程和密度泛函算法的流程示意图。如图1和图2所示，一种氧气和水分对C5F10O气体分解行为特性影响的模拟方法，包括步骤1至步骤3。
步骤1，设计待分解的模拟气体，并设置待分解的模拟气体的化学反应模拟条件。
在实现对氧气、水分和C5F10O气体分解的化学反应模拟之前，可以预设待分解的模拟气体的种类。例如设计待分解的模拟气体中，各个不同组分之间的比例及分子数量。
另外，还需要设置待分解的模拟气体的化学反应模拟条件，例如，设置待分解的模拟气体中分子的边界条件，以及待分解的模拟气体的初始弛豫过程，反应过程中的环境温度、压强条件等等。
步骤2，对化学反应实施至少一次分子反应动力学模拟，获取化学反应模拟过程中的分解物变化趋势。
通常来说，为了确保化学反应过程模拟时的偶然性，可以对化学反应实施多次分子反应动力学模拟，并排除模拟过程中的偶然性影响，最后获得化学反应后的反应物的种类与数量。
在模拟化学反应时，不仅应当对化学反应达到稳定状态后的最终结果进行模拟，同时还应当模拟化学反应过程中的多种分解物的种类与数量，并以此得出分解物的变化趋势。
步骤3，基于分解物变化趋势，利用密度泛函算法获取化学反应模拟过程中分解物的过渡态和能垒。
在步骤2中得到分解物的变化趋势后，还可以利用密度泛函算法获取到上述分解物的过渡态和能垒。
由于在化学反应过程中各个不同时段的分解物的种类与数量的变化不同，因此，可以获得反应中各个过渡态的情况，并进一步地得到该化学反应的初始状态、过渡态状态以及稳定状态。另外，还可以利用密度泛函软件对化学反应的能垒进行计算，并获得各个不同分解物在不同状态下的能垒。
在获取到分解物的过渡态和能垒之后，则可以了解整个化学反应过程中能量的变化情况。
优选地，待分解的模拟气体中包括C5F10O、H2O和O2，且三者分子数量比例为10：1：1。本发明一实施例中，可以设置待分解的模拟气体为500个C5F10O气体分子，50个H2O气体分子以及50个O2分子组成的混合物。
优选地，可以通过AMS软件中的ReaxFF对待分解的模拟气体进行模拟。
优选地，化学反应模拟条件包括：分子边界条件、力场截断方式、气体系综类型、系综温控方式。分子边界条件为
长度，弛豫方式为温度弛豫，气体系综类型为NVT，系综温控方式为Berendsen升温。
具体的，在使用分子反应动力学模拟的过程中，首先需要确定每个粒子的初始位置和速度，然后计算粒子的受力和加速度，根据计算得到的粒子的受力和加速度将粒子移动到新的位置，以及赋予粒子新的速度。求出每个粒子在一个时间步长后所到达的位置和具有的速度，统计在这一个时间步长之后，粒子性质是否发生了变化，若尚未变化，则重复执行粒子的演进过程，若发生变化，则记录粒子的状态。
在本实施例中，若要获得气体分子的化学反应过程，则首先需要确定分子结构的空间坐标。由于初始给定的分子结构的空间坐标无法处于分子力场中最稳定的位置，即此时各个分子并非处于平衡态，体系的能量较高。因此，可以对待分解的模拟气体进行一次不施加载荷的气体弛豫过程，以使得系统达到稳定的平衡状态。
现有技术中，常使用共轭梯度法获取平衡状态。在这一过程中，系统从人为的初始构形转变至真实的初始构形，势能减小并达到稳定。同时，还可以采用现有技术中近似的Maxwell-Boltzmann统计分布来赋予原子的初始速度。
可以理解的是，在分子反应动力学模型中，只有足够数量的粒子，才能够准确的描述需要得到的宏观性能。然而过多数量的粒子，会增加计算的规模。因此，可以对化学反应规定边界条件。在本发明中，可以对待分解的模拟气体设置周期性边界条件为
另外，平衡分子反应动力学的模拟总是在一定的系综下进行的。平衡系综通常分为以下几种：微正则系综、正则系综、等温等压系综和等压等焓系综。
在微正则系综中，系统的原子数为N，体积为V，能量E保持不变，因此微正则系综又被称为NVE系综，一般来说，给定能量的精确初始条件是无法获知的，能量的调整通常是通过对速度的标度进行的，这种标度可能会使得系统失去平衡，因此需要迭代弛豫过程以重新达到平衡状态。
等温等压系综的系统原子数为N，压强为P，温度T保持不变，因此等温等压系综又可被称为NPT系综。在该系综中，压强P与体积共轭，压控可以通过标度系统的体积来实现。
等压等焓系综中，系统原子数为N，压强为P，焓值H＝E+PV保持不变。在模拟中，前三种系综使用的比较广泛。
本发明一实施例中，可以使用正则系综。在正则系综中，系统的原子数为N，体积为V，温度为T保持不变，且总动量保持不变，因此正则系综又称为NVT系综。
温度调控机制可以使系统的温度维持在给定值，根据外接环境的温度变化可以使系统的温度发生涨落。一个合理的温控机制能够产生正确的统计系综，也就是说，经过调温之后，各个粒子位形发生的概率可以满足统计力学法则。
现有技术中，系综的温控方式可以有多种，例如直接速度标定法、Berendsen温控机制、Gaussian温控机制、Nose-Hoover温控机制等。
具体来说，直接速度标定法是指默认系统的温度和粒子的速度直接相关。因此，可以通过调整粒子的速度以使得系统的温度维持在目标值上。在实际分子反应动力学模拟中，并不需要对每一步的速度都进行标定，而是每隔一定的积分步，就对速度进行周期性的标定。因此，采用直接速度标定法可以允许系统的温度在目标值的附近进行小幅的波动。
使用直接速度标定法的优点在于其原理简单，易于编程和应用。然而，直接速度标定法的缺点是模拟系统无法和任何一个统计力学当中的系综对应起来。突然的速度标定会引起体系能量的突然改变，这也会使得模拟系统与真实结构的平衡态相差较远，因而导致模拟结果不够准确。
Berendsen温控机制又叫Berendsen外部热浴法。该温控机制的基本思想是，假设系统与一个恒温的外部热浴耦合在一起，通过热浴吸收和释放能量来调节系统的温度，使之与恒温热浴保持一致。在该温控机制中，需要对粒子速度的每一步进行标定，以保持温度的变化率与热浴和系统的温差成正比。使用Berendsen温控机制的优势在于可以允许系统在期望的温度值上下波动。
具体的，Berendsen温控机制中每一步的温度变化公式如下：
Berendsen温控机制中每一步的速度公式如下：
其中，δt为步长，τ为耦合参数，Tbath为热浴温度，T(t)为系统温度。
如上述公式中所示，当耦合参数τ等于步长δt时，这个算法就等同于简单的速度标度法。若τ＝1ps，δt＝1ns时，则可以计算出
除此之外，还可以使用Gaussian温控机制给每个原子施加摩擦力。Gaussian温控机制的内涵是保持温度不变即为保持体系的总动能不变，即体系内部力所做的功的功率为零。
Gaussian温控机制中，摩擦力的系数依赖于当前系统温度和热浴温度之间的差值。若摩擦力系数为正，则系统温度高于热浴温度，需要对系统进行冷却，若系数为负，则需要对系统进行加热。使用Gaussian温控机制的优点是程序编码简单，但缺点是消除局域的相关运动。
Nose-Hoover温控机制也是一种常见的温控机制，该方法可以把任何数量的原子与一个热浴耦合在一起，消除局域的相关运动，并模拟宏观系统的温度涨落现象。
Nose-Hoover温控机制的基本思想是，引入一个反映真实系统与热浴相互作用的广义变量s，该变量可以为无量纲量，通过广义变量s将真实系统与热浴作为统一的扩展系统来考虑。
本发明一实施例中，使用Berendsen温控机制。当然，采用其他类型的系综温控机制也是可行的。
除了采用系综的温控机制还可以采用系综的压控机制，通过改变待分解的模拟气体的体积调节来改变系统压力，从而获取平衡态。通常压控机制还包括直接提及标定法，Berendesen压控机制，Aandersen压控机制等。
其中，直接体积标定法是指在一定的时间步内，将系统体积自动重分配以达到目标压力值。通过计算气体的体积模量，并在每个时间步内的系统应力，可以得到系统的体积变化。
Berendesen压控机制是假想系统与压浴相耦合，选取模拟原胞的体积的标度因子，真实压力与压浴压力的差得到新的分子位置。
Aandersen压控机制是假定系统与外接活塞耦合，当外部压强无法补偿系统的内部压强时，活塞运动引起系统均匀地膨胀或收缩，从而最终使得系统压强等于外部压强。在压力耦合的系统方法中，引入一个额外的自由度，即原胞的体积，这个自由度的动能由活塞的质量，系统的体积等参数决定。质量小的活塞会引起原胞的快速波动，而质量大的活塞则相反。在模拟过程中，系统的体积可以变化，而平均体积则由内部的压力与期望值达到平衡时决定。现有技术中，其他的各类压控机制也基本上是利用了Aandersen压控机制的原理后的各种变形，因此，本文中不对其他机制再做赘述。
优选地，设置Berendsen升温的时长为1ps、温度为298K。通过Berendsen升温实现气体的弛豫过程，并使得气体达到稳定状态，而后再执行化学反应的过程。
优选地，也可以同时采用AMS软件中的ReaxFF对化学反应实施分子反应动力学模拟。在模拟化学反应的过程中，可以采用时长为1ns的、温度为300K的Berendsen升温方式。
优选地，分解物变化趋势为分解物的分子数量随时间变化的趋势；其中，分解物为区别于C5F10O、H2O和O2三者的其他分子。待分解的模拟气体的分解物为HF和COF2。
图3为本发明氧气和水分对C5F10O气体分解行为特性影响的模拟方法中基于分子反应动力学模拟得到的分解物变化趋势的示意图。如图3所示，待分解的模拟气体C5F10O、H2O和O2的混合物经过分解后生成的其中一种分解物为HF。该HF气体在反应的过程中，随着时间的延长，HF分子数量增加。
图3中给出了在待分解的模拟气体中，随着水分子组分的不同，分解物HF的数量也不同。当待分解的模拟气体中，水分子组分高，则会生成更多的HF，组分低则生成的HF更少。
优选地，密度泛函算法是基于密度泛函软件Gaussian中的B3LYP泛函模型和6-311G(d,p)基组获得的。
图4为本发明氧气和水分对C5F10O气体分解行为特性影响的模拟方法中化学反应模拟过程的示意图。
如图4所示，该化学反应模拟过程包括：步骤3.1，基于待分解的模拟气体生成CF3；步骤3.2，基于待分解的模拟气体和CF3生成COF3；步骤3.3，基于待分解的模拟气体和COF3生成COF2。
优选地，基于化学反应模拟过程中分解物的过渡态生成分解物的能垒。
化学反应模拟过程中分解物的能垒计算公式为：
Ebarrier＝ETS-EIS (1)
其中，ETS为初始结构能量，EIS为过渡态结构能量。
图5为本发明氧气和水分对C5F10O气体分解行为特性影响的模拟方法中获得的分解物过渡态和能垒的示意图。
如图5所示，分解物HF和COF2在步骤3.2中的能垒均大于在步骤3.3中的能垒。初始状态时，分解物HF和COF2含量均为零。当生成COF3这一过渡态时，HF的能垒达到3.14，而此时COF2的能垒为31.38。当反应趋于稳定时，HF的能垒为-8.16，COF2的能垒为20.08。
本发明第二方面，涉及一种氧气和水分对C5F10O气体分解行为特性影响的模拟系统，其特征在于：系统用于实现如本发明第一方面中所述氧气和水分对C5F10O气体分解行为特性影响的模拟方法。
本发明的有益效果在于，与现有技术相比，本发明中一种氧气和水分对C5F10O气体分解行为特性影响的模拟方法能够快速、准确地分析出氧气和水分对C5F10O气体分解行为特性的影响，模拟成本低、结果准确，能够有效的指导充入有C5F10O气体的各类高压设备或电子设备的维护与更换。
本发明申请人结合说明书附图对本发明的实施示例做了详细的说明与描述，但是本领域技术人员应该理解，以上实施示例仅为本发明的优选实施方案，详尽的说明只是为了帮助读者更好地理解本发明精神，而并非对本发明保护范围的限制，相反，任何基于本发明的发明精神所作的任何改进或修饰都应当落在本发明的保护范围之内。
Claims (12)
1.氧气和水分对C5F10O气体分解行为特性影响的模拟方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，设计待分解的模拟气体，并设置待分解的模拟气体的化学反应模拟条件；
步骤2，对所述化学反应实施至少一次分子反应动力学模拟，获取所述化学反应模拟过程中的分解物变化趋势；
步骤3，基于所述分解物变化趋势，利用密度泛函算法获取化学反应模拟过程中分解物的过渡态和能垒；其中，基于所述化学反应模拟过程中分解物的过渡态生成所述分解物的能垒；所述化学反应模拟过程中分解物的能垒计算公式为：
Ebarrier＝ETS-EIS (1)
其中，ETS为初始结构能量，EIS为过渡态结构能量；
所述化学反应模拟过程包括：
步骤3.1，基于待分解的模拟气体生成CF3；
步骤3.2，基于待分解的模拟气体和CF3生成COF3；
步骤3.3，基于待分解的模拟气体和COF3生成COF2。
2.根据权利要求1中所述的一种氧气和水分对C5F10O气体分解行为特性影响的模拟方法，其特征在于，所述步骤1中还包括：
所述待分解的模拟气体中包括C5F10O、H2O和O2，且三者分子数量比例为10：1：1。
3.根据权利要求2中所述的一种氧气和水分对C5F10O气体分解行为特性影响的模拟方法，其特征在于，所述步骤1中还包括：
通过AMS软件中的ReaxFF对待分解的模拟气体进行模拟。
4.根据权利要求2中所述的一种氧气和水分对C5F10O气体分解行为特性影响的模拟方法，其特征在于，所述步骤1中还包括：
所述化学反应模拟条件包括：分子边界条件、气体系综类型、系综温控方式。
5.根据权利要求4中所述的一种氧气和水分对C5F10O气体分解行为特性影响的模拟方法，其特征在于，所述步骤1中还包括：
所述分子边界条件中分子设置的模拟边界条件长度为
弛豫方式为温度弛豫，气体系综类型为NVT，系综温控方式为Berendsen升温。
6.根据权利要求5中所述的一种氧气和水分对C5F10O气体分解行为特性影响的模拟方法，其特征在于，所述步骤1中还包括：
所述Berendsen升温的时长为1ps、温度为298K。
7.根据权利要求1中所述的一种氧气和水分对C5F10O气体分解行为特性影响的模拟方法，其特征在于，所述步骤2中还包括：
采用AMS软件中的ReaxFF对所述化学反应实施分子反应动力学模拟。
8.根据权利要求7中所述的一种氧气和水分对C5F10O气体分解行为特性影响的模拟方法，其特征在于，所述步骤2中还包括：
所述分子反应动力学模拟中，采用时长为1ns的、温度为300K的Berendsen升温方式。
9.根据权利要求7中所述的一种氧气和水分对C5F10O气体分解行为特性影响的模拟方法，其特征在于，所述步骤2中还包括：
所述分解物变化趋势为所述分解物的分子数量随时间变化的趋势；其中，
所述分解物为区别于C5F10O、H2O和O2三者的其他分子。
10.根据权利要求7中所述的一种氧气和水分对C5F10O气体分解行为特性影响的模拟方法，其特征在于，所述步骤2中还包括：
所述待分解的模拟气体的分解物为HF和COF2。
11.根据权利要求1中所述的一种氧气和水分对C5F10O气体分解行为特性影响的模拟方法，其特征在于，所述步骤3中还包括：
所述密度泛函算法是基于所述密度泛函软件Gaussian中的B3LYP泛函模型和6-311G(d,p)基组获得的。
12.一种氧气和水分对C5F10O气体分解行为特性影响的模拟系统，其特征在于：
所述系统用于实现如权利要求1-11中所述氧气和水分对C5F10O气体分解行为特性影响的模拟方法。
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