C4F7N/CO2中工程应用吸附剂的选择的模拟仿真方法与流程

本发明属于反应分子动力学，尤其涉及一种c4f7n/co2中工程应用吸附剂的选择的模拟仿真方法。

背景技术：

1、六氟化硫(sf6)是一种人工合成气体。鉴于其优异的绝缘与灭弧特性，sf6成功应用于各种高压电气设备中。然而sf6的全球变暖潜能值指数高达3200，并且具有强烈吸收红外辐射的能力，每排放1kg sf6气体产生的温室效应相当于排放23.9t co2气体。然而现阶段对于sf6的处理缺少有效措施，sf6一旦排放到大气中将对大气环境带来永久性。随着全球温室效应越来严重，环保压力日益严峻，经过长时间理论与实验研究，环保型混合绝缘气体c4f7n/co2成为现阶段高压电气设备的新型绝缘介质。

2、然而，由于c4f7n/co2混合气体在实际应用中，因为电气故障导致气体分解，并与高压电气设备发生化学反应，从而导致绝缘故障和绝缘时效，进而威胁到电力系统的正常运行。

3、同时，现有技术中尽管存在一些材料计算软件，能够基于量子化学和分子动力学原理对吸附剂的吸附性能、反应状态等内容进行仿真。但现有技术中尚未具备一种仿真方法是针对于c4f7n/co2气体在高压电气设备中的吸附剂进行基于多场耦合作用下的吸附特性分析，因此还需要一套比较系统地模拟仿真方法。

技术实现思路

1、针对上述现有技术中存在的不足之处，本发明提供了一种c4f7n/co2中工程应用吸附剂的选择的模拟仿真方法。其目的是为了实现的发明目的。

2、本发明为实现上述目的所采用的技术方案是：

3、c4f7n/co2中工程应用吸附剂的选择的模拟仿真方法，包括以下步骤：

4、步骤1.构建c4f7n和co2分子模型，同时建立吸附剂的结构模型，即晶体表面模型；

5、步骤2.通过reaxff反应分子动力方法模拟c4f7n/co2在1ns时间内的发生的化学反应，得到反应后的混合气体的体系构型；

6、步骤3.联立在步骤2中的体系构型与步骤1中的晶体表面模型，施加不同电场，计算混合气体同吸附剂的饱和吸附量、吸附等温线及吸附选择性特征；

7、步骤4.通过得到的饱和吸附量、吸附等温线及吸附选择性特征，得到c4f7n/co2同吸附剂的吸附特性，进而选择合适的吸附剂。

8、更优选的是，将所述吸附剂的结构模型扩建变成一个9*9*4的超晶胞，同时建立所需混合比例的c4f7n/co2体系。

9、更优选的是，所述超晶胞采用通用分子动力学力场compass力场进行优化，最终模型能量曲线趋于收敛。

10、更优选的是，所述通过reaxff反应分子动力方法模拟c4f7n/co2在1ns时间内的发生的化学反应，得到反应后的混合气体的体系构型；还包括：根据吸附剂及c4f7n/co2元素种类选择合适的reaxff力场并对所选reaxff力场进行训练优化。

11、更优选的是，基于所述reaxff力场对c4f7n/co2混合体系进行优化。

12、更优选的是，对所述优化好的c4f7n/co2混合体系进行分子动力学模拟。

13、更优选的是，所述联立在步骤2中的体系构型与步骤1中的晶体表面模型，施加不同电场，计算混合气体同吸附剂的饱和吸附量、吸附等温线及吸附选择性特征；还包括：在获得仿真模型的基础上，施加电场，进行基于nvt下的分子动力学模拟计算。

14、更优选的是，所述饱和吸附量、吸附等温线、吸附选择性特征根据以下气体均方根位移(m)和自扩散系数(d)公式得到参数进行计算：

15、m＝<|ri(t)-ri(0)|2>

16、

17、其中：ri表示分子质心位置，<·>表示系综平均，t为动力学模拟时间；

18、同时，还采用热力学积分方法计算混合气体分子从气相到吸附相的自由能变化：

19、δa＝δaid+δavdw+δaelec

20、上式中，δaid为理想气体，δavdw范德华作用，δaelec静电作用的贡献。

21、更优选的是，所述联立在步骤2中的体系构型与步骤1中的晶体表面模型，施加不同电场，计算混合气体同吸附剂的饱和吸附量、吸附等温线及吸附选择性特征，其中，

22、在所述模型上施加不同大小静电场模拟实际电压，以使所述模型获得范围内的0-0.5ev的电场。

23、更优选的是，所述通过得到的饱和吸附量、吸附等温线及吸附选择性特征，得到c4f7n/co2同吸附剂的吸附特性，进而选择合适的吸附剂，还包括：根据所获得饱和吸附量、吸附等温线、吸附选择性特征绘制随电场强度增加的变化关系曲线。

24、本发明具有以下有益效果及优点：

25、(1)本发明采用量子化学和分子动力学相结合，使对于吸附剂基于量子化学的定性分析进一步在分子动力学的基础上进行定量分析，结合reaxff力场，可以得到c4f7n/co2在1ns时的分解产物，以及分解产物在吸附剂表面的吸附程度。

26、(2)本发明优化得到的reaxff力场适合吸附剂c4f7n/co2所包含的所有元素，可以准确地进行分子动力学模拟，参考价值非常高。

27、(3)本发明多场耦合方式，可以更好更直观第模拟实际工况下gis/gil等电气设备发生故障时内部实际电-热和绝缘气体、吸附剂的实际情况，为气体设备的设计维护和吸附剂的选择提供理论上的支持。

28、(4)本发明方法不仅适用于c4f7n/co2绝缘气体，进一步可依据绝缘气体元素种类，材料材质，来设计实际工程应用中吸附剂的选择，以符合实际需求。

29、本发明方法降低了实验下的材料成本，准确地提供了吸附剂的吸附特性，为实际应用提供了理论依据，适用于对c4f7n/co2混合气体在工程应用中吸附剂的选择提供理论依据。

技术特征：

1.c4f7n/co2中工程应用吸附剂的选择的模拟仿真方法，其特征是：包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的c4f7n/co2中工程应用吸附剂的选择的模拟仿真方法，其特征是：将所述吸附剂的结构模型扩建变成一个9*9*4的超晶胞，同时建立所需混合比例的c4f7n/co2体系。

3.根据权利要求2所述的c4f7n/co2中工程应用吸附剂的选择的模拟仿真方法，其特征是：所述超晶胞采用通用分子动力学力场compass力场进行优化，最终模型能量曲线趋于收敛。

4.根据权利要求1所述的c4f7n/co2中工程应用吸附剂的选择的模拟仿真方法，其特征是：所述通过reaxff反应分子动力方法模拟c4f7n/co2在1ns时间内的发生的化学反应，得到反应后的混合气体的体系构型；还包括：根据吸附剂及c4f7n/co2元素种类选择合适的reaxff力场并对所选reaxff力场进行训练优化。

5.根据权利要求4所述的c4f7n/co2中工程应用吸附剂的选择的模拟仿真方法，其特征是：基于所述reaxff力场对c4f7n/co2混合体系进行优化。

6.根据权利要求5所述的c4f7n/co2中工程应用吸附剂的选择的模拟仿真方法，其特征是：对所述优化好的c4f7n/co2混合体系进行分子动力学模拟。

7.根据权利要求1所述的c4f7n/co2中工程应用吸附剂的选择的模拟仿真方法，其特征是：所述联立在步骤2中的体系构型与步骤1中的晶体表面模型，施加不同电场，计算混合气体同吸附剂的饱和吸附量、吸附等温线及吸附选择性特征；还包括：在获得仿真模型的基础上，施加电场，进行基于nvt下的分子动力学模拟计算。

8.根据权利要求7所述的c4f7n/co2中工程应用吸附剂的选择的模拟仿真方法，其特征是：所述饱和吸附量、吸附等温线、吸附选择性特征根据以下气体均方根位移(m)和自扩散系数(d)公式得到参数进行计算：

9.根据权利要求1所述的c4f7n/co2中工程应用吸附剂的选择的模拟仿真方法，其特征是：所述联立在步骤2中的体系构型与步骤1中的晶体表面模型，施加不同电场，计算混合气体同吸附剂的饱和吸附量、吸附等温线及吸附选择性特征，其中，在所述模型上施加不同大小静电场模拟实际电压，以使所述模型获得范围内的0-0.5ev的电场。

10.根据权利要求1所述的c4f7n/co2中工程应用吸附剂的选择的模拟仿真方法，其特征是：所述通过得到的饱和吸附量、吸附等温线及吸附选择性特征，得到c4f7n/co2同吸附剂的吸附特性，进而选择合适的吸附剂，还包括：根据所获得饱和吸附量、吸附等温线、吸附选择性特征绘制随电场强度增加的变化关系曲线。

技术总结
本发明属于反应分子动力学技术领域，尤其涉及一种C<subgt;4</subgt;F<subgt;7</subgt;N/CO<subgt;2</subgt;中工程应用吸附剂的选择的模拟仿真方法。包括：构建C<subgt;4</subgt;F<subgt;7</subgt;N和CO<subgt;2</subgt;分子模型，同时建立吸附剂的结构模型，即晶体表面模型；通过REAXFF反应分子动力方法模拟C<subgt;4</subgt;F<subgt;7</subgt;N/CO<subgt;2</subgt;在1ns时间内的发生的化学反应，得到反应后的混合气体的体系构型；联立体系构型与晶体表面模型，施加不同电场，计算混合气体同吸附剂的饱和吸附量、吸附等温线及吸附选择性特征；通过得到的饱和吸附量、吸附等温线及吸附选择性特征，得到C<subgt;4</subgt;F<subgt;7</subgt;N/CO<subgt;2</subgt;同吸附剂的吸附特性，选择合适的吸附剂。本发明降低了材料成本，准确提供了吸附剂的吸附特性，为实际应用提供了理论依据。

技术研发人员：于泳,孙艳超,戴冰,汤延来,林经伟,董鹏,孟兆辉,张悦,吕鹏飞,何强
受保护的技术使用者：国网内蒙古东部电力有限公司供电服务监管与支持中心
技术研发日：
技术公布日：2024/3/21