申请/专利权人：西安交通大学

申请日：2021-01-05

公开（公告）日：2024-04-02

公开（公告）号：CN112687347B

主分类号：G16C10/00

分类号：G16C10/00

优先权：

专利状态码：有效-授权

法律状态：2024.04.02#授权;2021.05.07#实质审查的生效;2021.04.20#公开

摘要：本发明公开了一种计算化学非平衡效应下电弧等离子体组分的方法及系统，包括：1对气体分子进行结构优化；2计算分子的路径；3对于局部热力学平衡态的电弧等离子体，利用密度泛函理论计算路径中涉及粒子的熵，焓，比热；4利用吉布斯自由能最小化方法或质量作用定律求解局部热力学平衡态电弧等离子体组分；5对于化学非平衡态电弧等离子体，运用变分过渡态理论计算路径中化学反应速率；6利用动力学模型求解化学非平衡态电弧等离子体的组分；本发明提出了一种计算化学非平衡效应下电弧等离子体组分的方法，针对气体电弧等离子体可能的两种状态的等离子体组分进行计算，为电弧的磁流体仿真提供数据基础。

主权项：1.计算化学非平衡效应下电弧等离子体组分的方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1，对气体分子进行结构优化；步骤2，计算分子的路径；具体是计算分子的解离、电离、吸附路径及自由基之间，正负离子之间，自由基与离子之间，分子与自由基或离子之间的重组过程；通过计算分子的键能，确定最可能断裂的化学键，通过势能面扫描计算生成的粒子；利用密度泛函理论计算路径或重组过程中涉及粒子的熵，焓，比热值；求解薛定谔方程，计算气体分子的分子性质；通过求解方程，得到体系的波函数、体系能量及其他性质；其中，一维、单个粒子的薛定谔方程表达式为： 其中，是约化普朗克常数，V是外势，ψ为波函数，E为粒子能量，m是粒子质量，x是粒子的坐标；Hartree-FockHF、半经验方法、后HF方法均为求解薛定谔方程的理论方法；求得各个粒子的标准生成焓ΔfHo，熵So以及各个温度下的定压比热Cp；其中298K时的标准生成焓按照下面的公式计算：ΔfH0CxFyOz,0K＝xΔfH0C,0K+yΔfH0F,0K+zΔfH0O,0K-∑D0其中，ΔfHo为原子或分子的生成焓，ΣD0是原子能通过已知的生成焓求得；298K的生成焓和0K之间的关系为：ΔfH0CxFyOz,298K＝ΔfH0CxFyOz,0K+H0CxFyOz,298K-H0CxFyOz,0K-x[H0C,298K-H0C,0K]st-y[H0F,298K-H0F,0K]st-z[H0O,298K-H0O,0K]st分子的电压比热，熵，焓描述气体分子的其他热力学性质；根据各个粒子的热力学量，按照下面三个公式进行拟合： 其中，1000K作为温度拐点，300K-1000K为低温区，1000K-5000K为高温区，在高温区和低温区分别有a1k-a7k的拟合结果；步骤3，对于局部热力学平衡态的电弧等离子体，利用密度泛函理论计算路径中涉及粒子的熵、焓以及比热；利用吉布斯自由能最小化方法计算在局部热力学平衡态下电弧等离子体组分；系统的Gibbs自由能表达式为： 其中，w为系统中粒子的种类数，g为系统的吉布斯自由能，Jkg；ni为每千克气体中粒子i的摩尔数，molkg，u为粒子的化学势，Jmol；化学势物理意义是1mol物质对体系的Gibbs能的贡献；步骤4，利用吉布斯自由能最小化方法或质量作用定律求解局部热力学平衡态电弧等离子体组分；步骤5，对于化学非平衡态电弧等离子体，运用变分过渡态理论计算路径中化学反应速率；通过拟合能够用以下表达式获得不同温度下的反应速率常数kf：kf＝ATnexp-EaRT其中，A是指前因子，n是温度指数，Ea是活化能；这三个参数确定了不同温度下的反应速率；或通过搭建实验平台测量各个反应的反应速率；步骤6，利用动力学模型求解化学非平衡态电弧等离子体的组分具体方法如下：步骤6-1，输入粒子的热力学参数和化学反应速率参数；步骤6-2，计算化学非平衡态下电弧等离子体组分；假设系统S中包含N个化学粒子，记为S＝{C1，C2，…，CN}；系统S的粒子组分用物质的量n1t，n2t，…，nNt；且满足质量守恒的约束： 其中，aji是第i个粒子中第j个元素的原子数，而bj0是系统中第j个元素的初始原子总数；假设m个反应R1，R2，...，Rm发生在S中，则反应Rk表示为： 其中，vkif和vkir是反应的化学计量系数，mi是物种i的化学符号。

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权利要求：

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