纳米MgO吸附火灾中有害气体及碳烟颗粒的模拟研究与分析

发布时间：2017-10-24 20:14

  本文关键词：纳米MgO吸附火灾中有害气体及碳烟颗粒的模拟研究与分析

  更多相关文章： 纳米氧化镁 分子动力学 控烟 吸附

【摘要】：目前我国已经成为世界航运大国。但是随着船舶数量和吨位的增加，海难事故也在不断增加，尤其是船舶火灾所造成的人员伤亡和巨额的财产损失。统计显示船舶火灾约占船舶事故总数的11%，航运船舶携带大量的燃油，包括柴油、汽油、重油等，由于输油管道的老化等原因，这些燃油发生泄漏，很容易引发火灾。船舶起火时燃油以及船舱中其他可燃物会迅速产生大量的烟尘和有毒气体，阻碍人员逃生，影响消防人员进入船舱灭火救人。美国海军曾经在废旧军舰上做了应用金属纳米氧化物与烟气相互作用的试验，效果良好。但是其控烟机理至今并未有相关的报道。目前分子动力学已经普遍地应用于纳米材料，生物大分子的模拟计算研究，并且取得了很多突出的成果。而本文在总结了众多成果的基础上，应用跨学科的方法，从微观上对金属纳米氧化物与火灾烟气的相互作用机理作了有益的探索，为船舶火灾的控制研究提供了新的思路。 本文以降低烟气浓度为目标，采用新型的纳米技术实现控烟的目的，将纳米氧化镁颗粒吸附性能应用于处理火灾烟气中有害气体和碳烟颗粒，利用分子动力学模拟的方法进行分析。 首先，分析纳米氧化镁的形貌结构，得到立方体型纳米氧化镁在10nm范围内，当粒径的尺寸减小时，其比表面积迅速增加。当粒径为1nm时，其表面原子占总原子比例可以达到90%以上； 其次，研究烟气的理化特性，得出阻碍人员逃生的主要原因是烟气中存在影响视线的碳烟颗粒物和致人丧失逃生能力的有毒气体CO、SO2等分子。 然后，基于分子动力学模拟理论，以Lammps和Material Studio模拟软件为平台，建立了0nm~10nm粒径的立方体纳米氧化镁模型以及烟气中CO、SO2、CO2等气体分子和碳烟颗粒的模型。通过Lennard-Jones势函数以及键合作用势函数建立力场数学模型，从微观角度阐述纳米氧化镁控烟机理。量化在控烟过程中的主要技术参数，如纳米氧化镁粒径、比表面积、吸附时间、吸附量以及温度等，经过模拟计算得到的结果主要包括： (1)纳米氧化镁可以吸附烟气中气体分子和碳烟颗粒，并在一定范围内随着纳米氧化镁粒径的增加，吸附的时间在缩短，在0nm~2nm范围内吸附时间变化显著； (2)吸附气体分子的数量随纳米氧化镁粒径的增大而增加，并且在数值上成二次方关系； (3)纳米氧化镁对于不同的气体分子，其吸附量有着明显区别，吸附CO分子数量远远高于SO2分子数量； (4) CO分子可以形成明显的双层垂直吸附，并且C端吸附能大于O端；而SO2分子只能形成单层吸附，并且O端吸附能大于S端。在300K~400K温度变化范围内，随着温度的升高，纳米氧化镁吸附气体分子量有所减少，但是减少不明显。在一定尺寸范围内随着粒径的增加，，纳米氧化镁吸附碳烟颗粒时间缩短与吸附气体有相同特点，然而温度变化对吸附碳烟颗粒影响并没有明显规律。 最后，考虑实际投放纳米氧化镁粉体于运动的烟气中，分析在空气流体中纳米颗粒、烟气颗粒以及气体分子的运动和受到综合力的作用，结合模拟纳米氧化镁吸附烟气的结果，可以得出纳米氧化镁能有效吸附烟气中有害气体和碳烟颗粒，对烟气具有吸附和耗散作用，研究结果为纳米颗粒在船舶火灾控烟方面提供理论依据。
【关键词】：纳米氧化镁 分子动力学 控烟 吸附
【学位授予单位】：江苏科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：U664.88;U698.4
【目录】：

• 摘要6-8
• ABSTRACT8-10
• 目录10-12
• CONTENTS12-14
• 第一章 绪论14-22
• 1.1 研究背景及意义14-15
• 1.2 国内外研究概况15-19
• 1.3 研究内容与方法19-22
• 第二章 纳米氧化镁和烟气分析22-33
• 2.1 纳米氧化镁的形貌结构与特征22-26
• 2.2 烟气的理化特性26-32
• 2.2.1 碳烟颗粒的形成及形貌结构26-29
• 2.2.2 烟气的危害29-32
• 2.3 本章小结32-33
• 第三章 分子动力学模拟33-41
• 3.1 分子动力学简介33-34
• 3.2 分子动力学模拟方法34-36
• 3.3 模拟条件36-40
• 3.3.1 模拟系综36-37
• 3.3.2 分子力场37-39
• 3.3.3 边界条件39
• 3.3.4 截断距离39-40
• 3.4 本章小结40-41
• 第四章 纳米氧化镁吸附烟气的模拟计算41-65
• 4.1 纳米氧化镁吸附烟气中气体的模拟计算41-59
• 4.1.1 模拟方法和吸附模型41-43
• 4.1.2 单分子的 lammps 模拟计算43-45
• 4.1.3 计算结果与分析45-48
• 4.1.4 多分子模拟计算48-51
• 4.1.5 计算结果与分析51-59
• 4.2 纳米氧化镁吸附烟气中碳烟颗粒的模拟计算59-64
• 4.2.1 模拟方法和吸附模型59-60
• 4.2.2 吸附碳烟的模拟计算60-61
• 4.2.3 计算结果与分析61-64
• 4.3 本章小结64-65
• 第五章 全文总结与工作展望65-67
• 5.1 全文总结65-66
• 5.2 工作展望66-67
• 参考文献67-70
• 致谢70-72
• 攻读学位期间发表的论文72

【共引文献】

中国期刊全文数据库 前10条

1 肖九长;姜水生;胡琦山;;生物柴油抑制多环芳香烃生成的机理分析[J];车用发动机;2014年05期

2 赵善辉;罗永浩;苏毅;吴文广;刘春元;;部分氧化对焦油模型化合物苯酚转化的机理[J];化工学报;2013年10期

3 刘近平;魏明锐;肖合林;;基于矩方法的碳烟颗粒动力学演化过程[J];内燃机学报;2014年02期

4 梁金虎;胡弘浩;王苏;张胜涛;范秉诚;崔季平;;低稀释度条件下乙烯点火特性的激波管研究[J];力学学报;2014年01期

5 赵霏阳;于文斌;裴毅强;苏万华;;柴油机高密度-低温燃烧过程参数对碳烟生成影响的模拟[J];内燃机学报;2014年03期

6 凌鑫晨;吴锋;姚栋伟;刘若飞;;汽油机燃用甲醇汽油的芳香族碳氢排放试验研究[J];内燃机工程;2014年04期

7 颜方沁;成晓北;刘贝;陈亮;黄荣华;;基于Monte-Carlo算法的燃烧过程碳烟颗粒生成特性[J];内燃机学报;2014年05期

8 许广举;陈庆樟;孟杰;李学智;王忠;;生物柴油芳香烃燃烧产物的生成规律与演化历程[J];燃烧科学与技术;2013年06期

9 梁金虎;胡弘浩;王苏;张胜涛;范秉诚;崔季平;;空气污染组分H_2O和CO_2对乙烯点火特性的影响[J];推进技术;2014年02期

10 苏石川;王浩东;王亮;王波;王宪淼;;纳米MgO吸附火灾有害气体及炭烟颗粒模拟[J];消防科学与技术;2014年01期

中国博士学位论文全文数据库 前9条

1 董洁;煤热解过程中PAHs的形成及其催化裂解特性[D];太原理工大学;2013年

2 雒婧;柴油燃料替代混合物低温燃烧机理数值模拟与试验研究[D];天津大学;2012年

3 潘锁柱;缸内直喷汽油机排气微粒物理化学特征的研究[D];天津大学;2012年

4 王浒;柴油机碳烟生成机理多维数值模拟及试验研究[D];天津大学;2012年

5 许汉君;柴油/甲醇二元燃料燃烧反应动力学研究[D];天津大学;2012年

6 李铭迪;含氧燃料颗粒状态特征及前驱体形成机理研究[D];江苏大学;2014年

7 王占东;环己烷及其单烷基衍生物燃烧反应动力学的实验和模型研究[D];中国科学技术大学;2014年

8 高俊华;燃油品质对重型柴油机排放特性影响的试验与研究[D];天津大学;2013年

9 陈亮;柴油燃料燃烧碳烟颗粒生成机理与演变规律的试验和数值研究[D];华中科技大学;2013年

中国硕士学位论文全文数据库 前8条

1 熊军华;甲醇与柴油双燃料燃烧的数值模拟[D];南昌大学;2013年

2 和鲲;不同种类生物柴油在柴油机上的试验研究及化学动力学模拟计算[D];昆明理工大学;2013年

3 洪亮;预混火焰碳烟颗粒的形貌结构特征及团聚力的研究[D];天津大学;2012年

4 徐彪;乙醇、生物甲酯对柴油机性能及排放的影响[D];天津大学;2012年

5 李登科;机动车排气中SVOCs及颗粒物中SOF成分分析[D];天津大学;2012年

6 童世唯;煤粉燃烧中碳黑颗粒的辐射特性计算研究[D];华中科技大学;2013年

7 王泽鑫;CH_4在O_2/CO_2气氛中燃烧机理的研究[D];东北大学;2012年

8 吴武华;乙烯和乙烯/乙醇同向流扩散火焰的动力学模型研究[D];中国科学技术大学;2014年

本文编号：1090345