基于cAMOEBA極化力場的燃燒氣相分子的輸運參數(shù)

01引言

近幾十年來，燃燒化學得到了長足的發(fā)展[Prog. Energy Combust. 2014, 43.]。應用了許多實驗和理論方法來研究燃燒相關問題，包括相關化學物質的分子間勢能、傳輸特性和碰撞能量轉移計算[Prog. Energy Combust. 2021, 83.]。然而，由于燃燒反應過程被認為是一個復雜的"網(wǎng)絡結構"，涉及許多反應和大量中間產(chǎn)物， 很難通過實驗確定不同化學物質的輸運參數(shù)[Combust. Flame. 2014, 161.]。因此，理論計算就顯得尤為重要。因此，建立精確的燃燒動力學模型是燃燒化學領域最重要的任務之一[Combust. Inst. 2021, 38.]。

02成果簡介

在本研究中，我們報告了一個針對燃燒相關分子的簡化但精確的通用AMOEBA極化力場，稱為Combustion-AMOEBA或cAMOEBA。其中，氣體分子弛豫優(yōu)化是通過鴻之微DS-PAW軟件進行計算（其為cAMOEBA極化力場的構建而服務）。通過消除永久原子偶極子和四極子，保留明顯的極化，并定義每個分子種類(包括烷、烯、 炔、醇、過氧化物和醛)的原子類型，構建了簡化的通用cAMOEBA力場，并利用在QCISD(T)/CBS理論上獲得的基準結果進行了驗證。這樣就避免了在原始AMOEBA(Poltype/MP2)力場中對每個新分子的永久原子多極進行參數(shù)化的繁瑣步驟，從而能夠以較低的計算成本對大量分子進行精確的高通量計算。

此外，我們使用cAMOEBA和AMOEBA (Poltype/MP2)計算的約100種不同分子和四種浴氣(He、Ne、Ar和N2)的輸運參數(shù)σ和ε的平均差異分別為0.09%和1.27%，這表明通用cAMOEBA力場與原始AMOEBA(Poltype/MP2)力場具有良好的一致性，在原始力場中，每個小分子的多極力場參數(shù)都是通過量子力學計算獲得的。我們的結果還表明，在從一種浴氣中獲得純氣體分子Lennard-Jones參數(shù)時，Lorentz-Berthelot組合規(guī)則比Waldman-Hagler規(guī)則更適用， 而Waldman-Hagler組合規(guī)則則更適合從所有四種浴氣中獲得這些參數(shù)。則更適用于從所有四種浴氣中獲取這些參數(shù)。使用cAMOEBA獲得的純氣體參數(shù)可用于為燃燒建模開發(fā)高質量的傳輸特性數(shù)據(jù)庫。

03圖文導讀

圖1:對目標分子進行結構優(yōu)化，為燃燒分子構建簡化且高精度的極化力場

圖2:基于cAMOEBA力場計算的分子在不同浴氣下的輸運參數(shù)

圖3:通過不同的力場(Jasper and Miller, Tabulated values和cAMOEBA)，對比選擇分子的二元擴散系數(shù)

04小結

在本研究中，我們報告了用于燃燒相關分子建模的cAMOEBA力場的構建情況。該力場的目的是為更廣泛的化學空間提供一個通用的、隨時可用的力場， 而無需繁瑣的參數(shù)化程序。目前的參數(shù)化已經(jīng)涵蓋了烷、烯、炔、醇、過氧化物和醛。通過將分子間勢能與高水平的QM計算進行比較，以及將預測的傳輸特性與實驗值進行比較，對力場進行了驗證。

值得注意的是，與AMOEBA力場一樣，cAMOEBA力場也是基于通用力場構建方案獲得的力場，可提供精確的分子間相互作用。因此，cAMOEBA力場不僅可用于推導氣體的L-J參數(shù)，還可用于其他通用模擬，如分子動力學模擬和相關的基于動力學的采樣技術。使用新力場生成L-J參數(shù)的適用性取決于估算方法。洛倫茲-貝特洛組合規(guī)則更適合于選擇一種浴氣來計算純氣體的L-J參數(shù)。用該L-J參數(shù)計算的理論粘度與實驗結果之間的誤差小于7%。實驗結果的誤差小于7%。Waldman-Hagler組合規(guī)則適用于組合四種浴氣來獲得純氣體的L-J參數(shù)。用這種方法計算分子理論粘度得到的L-J參數(shù)分子的L-J參數(shù)與實驗值非常接近，誤差小于9%。最后，基于我們的力場和ODDM方法，我們還計算了約100種燃燒物的L-J參數(shù)，用于計算燃燒過程中的輸運特性。

審核編輯：劉清