sⅠ型甲烷水合物微观构型与力学性能的分子动力学研究

发布时间：2020-08-08 06:06

【摘要】：近些年来人们在太空探索中发现水合物存在的迹象,同时水合物可在太空中作为相变储能介质及淡水资源。天然气水合物具有分布广、储量大、高热值等优点,已受到各国学者的广泛关注。在水合物技术开发应用前,探明水合物的基础力学性质、变形破坏机制以及它们与沉积物的相互作用机理等具有重要的理论意义和实用价值。然而由于水合物稳定存在的环境极为苛刻,导致准确测试其力学性能存在一定困难,水合物微观构型变形破坏机制尚不明确。采用常规试验手段和理论分析方法研究水合物的力学性能及微观变形破坏机理存在一定局限性。本文采用分子动力学模拟方法,研究了sI型甲烷水合物的微观构型和力学性能。通过对弛豫稳定的sI型甲烷水合物系统进行拉伸或压缩变形,探究水合物力学特性和微观变形机理,为水合物的技术运用和工程开采提供一定参考数据和理论依据。首先参考文献数据,构建完整的sI型甲烷水合物晶体元胞,并在此基础上研究模型尺寸效应对水合物力学性能和微结构的影响。通过对不同尺寸甲烷水合物体系进行拉伸和压缩变形,分析其微观构型变化过程和应力应变曲线,发现甲烷水合物具有脆性材料的性质。在一定尺度下,体系最大应力存在尺度效应。然后,研究了缺陷对水合物微观构型和力学性能的影响。通过对完整水合物结构删除一定粒子,得到含有缺陷的水合物结构。将含缺陷的水合物模型稳定弛豫后,进行拉伸变形测试,研究微观构型的演化,发现体系保持脆性材料的力学性能。统计分析不同体系的应力应变曲线,发现缺陷占总粒子数9.02%的时候会降低体系的力学性能,此时的最大应力值比完整结构最大应力值低,并且发生脆断的应变较低。而其他缺陷比例低于9.02%的体系的力学性能比完整模型有一定提升。经分析不同结构的有序参数,发现F4有序参数能够有效确定微观构型断裂应变区间,而F3有序参数能够表明模型在拉伸方向的断裂位置。最后研究了水合物/水/冰混合体系的微观构型和力学性能,对水合物/水/冰混合体系水合物部分进行拉伸变形,研究微观构型的变化,发现混合体系仍然保持了脆性断裂,且最大应力值低于完整的水合物体系,且水合物/水/冰混合体系发生断裂的应变比水合物体系要早小。F3和F4有序参数可以判断出水合物/水混合物的断裂位置,以及微观构型水合物/水/冰混合体系界面变化情况。
【学位授予单位】：重庆大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TE31
【图文】：

硕士学位论文 速天然气水合物的分解，分解后将大量释放甲烷气体必将加速温室境[11]。并且由于天然气水合物的分解将造成水合物沉积层力学特性低，固体状态的天然气水合物分解为液态水和天然气，削弱了沉积性，降低了沉积层的抗剪强度，使其容易破坏，从而诱导更加严重]。所以研究水合物分解破坏相关力学性能和微观构型变化对天然气及综合利用具有巨大意义。

减压开采法开采示意图

三种常见水合物的分子构型示意图

【参考文献】

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本文编号：2785167