煤分子模擬ReaxFF反應(yīng)力場(chǎng)開(kāi)發(fā)
定 價(jià)：148 元
- 作者：張志強(qiáng) 著
- 出版時(shí)間：2026/1/1
- ISBN：9787122490926
- 出 版 社：化學(xué)工業(yè)出版社
- 中圖法分類：TQ530
- 頁(yè)碼：220
- 紙張：
- 版次：01
- 開(kāi)本：16開(kāi)
煤炭結(jié)構(gòu)具有高度復(fù)雜性、組分強(qiáng)烈非均質(zhì)性以及形成過(guò)程的多變性，傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)手段難以揭示其深層的微觀機(jī)制。分子模擬作為一種可借助計(jì)算機(jī)技術(shù)追蹤原子、分子動(dòng)態(tài)行為的計(jì)算方法，已成為材料科學(xué)、化學(xué)工程及能源研究等領(lǐng)域的強(qiáng)大工具。本書(shū)系統(tǒng)介紹了用于煤分子模擬的ReaxFF反應(yīng)力場(chǎng)（Coal-FF力場(chǎng)）在開(kāi)發(fā)過(guò)程中的探索和實(shí)踐。結(jié)合深度學(xué)習(xí)框架PyTorch和GPU并行計(jì)算技術(shù)，開(kāi)發(fā)了高效ReaxFF力場(chǎng)參數(shù)優(yōu)化程序，顯著提升了參數(shù)優(yōu)化的速度和精度；通過(guò)大規(guī)模量子化學(xué)計(jì)算，構(gòu)建了高精度的訓(xùn)練集，并以此為基礎(chǔ)成功參數(shù)化了Coal-FF力場(chǎng)；此外，還對(duì)新開(kāi)發(fā)的Coal-FF力場(chǎng)進(jìn)行了全面的驗(yàn)證，包括對(duì)幾何結(jié)構(gòu)和能量的重現(xiàn)能力以及在分子動(dòng)力學(xué)模擬中的表現(xiàn)。希望通過(guò)本書(shū)與同行分享在煤炭ReaxFF反應(yīng)力場(chǎng)開(kāi)發(fā)方面的經(jīng)驗(yàn)和技術(shù)，為煤分子模擬領(lǐng)域的研究者提供有益的參考和工具。
本書(shū)適合煤化學(xué)化工、礦業(yè)、計(jì)算材料學(xué)、分子模擬等相關(guān)領(lǐng)域的科研人員和學(xué)生閱讀，也可為行業(yè)上下游研發(fā)和生產(chǎn)提供指導(dǎo)和參考。
張志強(qiáng)，太原理工大學(xué)教授，博士生導(dǎo)師。有二十余年的量子化學(xué)和分子模擬專業(yè)經(jīng)驗(yàn)，長(zhǎng)期致力于煤分子結(jié)構(gòu)的檢測(cè)和模型構(gòu)建工作，首次構(gòu)建了中國(guó)西山煙煤和晉城無(wú)煙煤的大尺度分子結(jié)構(gòu)模型，這些模型包含多樣且具有連續(xù)分子量分布的煤分子，與實(shí)驗(yàn)獲得的結(jié)構(gòu)參數(shù)相符度高，相比以往構(gòu)建的平均分子模型，能更好的體現(xiàn)煤的結(jié)構(gòu)特征和行為。研究過(guò)程中，先后開(kāi)發(fā)了煤的HTREM圖像分析軟件VirtualFringe、煤結(jié)構(gòu)建模軟件VirtualCoal和Fullrmc-LammpsCoupling、ReaxFF反應(yīng)力場(chǎng)參數(shù)優(yōu)化軟件Torch-ReaxFF，在Energy&Fuels等專業(yè)期刊發(fā)表相關(guān)論文多篇，并出版了專著《煤的分子結(jié)構(gòu)表征與建�！�。
第1章 煤分子模擬力場(chǎng)概論001
1.1 分子模擬在煤炭科學(xué)研究中的重要性002
1.1.1 揭示煤炭的微觀結(jié)構(gòu)與組成002
1.1.2 研究氣體吸附與儲(chǔ)層性能002
1.1.3 探索熱解與燃燒過(guò)程的分子機(jī)制003
1.1.4 分析煤的力學(xué)性能與變形行為003
1.2 現(xiàn)有分子模擬力場(chǎng)簡(jiǎn)介003
1.2.1 勢(shì)能函數(shù)004
1.2.2 常見(jiàn)力場(chǎng)種類006
1.3 分子力場(chǎng)參數(shù)計(jì)算方法011
1.3.1 基于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的擬合方法011
1.3.2 基于量子化學(xué)計(jì)算的方法012
1.3.3 力場(chǎng)參數(shù)擬合軟件013
1.4 不同分子力場(chǎng)在煤炭研究中的應(yīng)用014
1.4.1 非反應(yīng)力場(chǎng)014
1.4.2 反應(yīng)力場(chǎng)015
1.4.3 模擬力場(chǎng)比較016
參考文獻(xiàn)018
第2章 煤分子ReaxFF 力場(chǎng)訓(xùn)練集分子選擇023
2.1 煤的分子結(jié)構(gòu)特點(diǎn)024
2.1.1 煤分子結(jié)構(gòu)化學(xué)研究方法024
2.1.2 煤分子結(jié)構(gòu)儀器研究方法025
2.2 煤的分子結(jié)構(gòu)模型035
2.2.1 煤平均分子結(jié)構(gòu)模型035
2.2.2 大尺度煤結(jié)構(gòu)模型038
2.3 煤反應(yīng)力場(chǎng)訓(xùn)練集分子組成039
2.3.1 訓(xùn)練集分子選擇依據(jù)039
2.3.2 訓(xùn)練集分子組成040
2.3.3 訓(xùn)練集分子選擇可行性043
參考文獻(xiàn)044
第3章 煤分子ReaxFF 力場(chǎng)訓(xùn)練集數(shù)據(jù)計(jì)算050
3.1 量子化學(xué)方法簡(jiǎn)介051
3.1.1 分子軌道理論051
3.1.2 密度泛函理論053
3.1.3 基函數(shù)058
3.1.4 贗勢(shì)方法060
3.1.5 范德華力矯正061
3.2 計(jì)算軟件062
3.2.1 Gaussian 062
3.2.2 Quantum ESPRESSO 065
3.3 DFT 基準(zhǔn)數(shù)據(jù)集制備069
3.3.1 計(jì)算方法與參數(shù)設(shè)置069
3.3.2 DFT基準(zhǔn)數(shù)據(jù)集組成074
參考文獻(xiàn)077
第4章 煤分子ReaxFF 力場(chǎng)參數(shù)優(yōu)化程序設(shè)計(jì)080
4.1 ReaxFF 反應(yīng)力場(chǎng)081
4.1.1 ReaxFF反應(yīng)力場(chǎng)特征081
4.1.2 ReaxFF反應(yīng)力場(chǎng)函數(shù)形式082
4.2 深度學(xué)習(xí)094
4.2.1 從機(jī)器學(xué)習(xí)到深度學(xué)習(xí)094
4.2.2 人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)095
4.2.3 深度學(xué)習(xí)框架100
4.2.4 PyTorch 101
4.3 GPU 加速技術(shù)103
4.3.1 引言103
4.3.2 GPU 計(jì)算架構(gòu)104
4.3.3 GPU 在深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中的作用104
4.3.4 GPU 加速實(shí)踐106
4.4 ReaxFF 反應(yīng)力場(chǎng)參數(shù)優(yōu)化程序設(shè)計(jì)107
4.4.1 引言107
4.4.2 程序架構(gòu)108
4.4.3 數(shù)據(jù)預(yù)處理模塊115
4.4.4 勢(shì)能計(jì)算模塊128
4.4.5 參數(shù)優(yōu)化模塊130
4.4.6 程序特點(diǎn)134
參考文獻(xiàn)135
第5章 煤分子ReaxFF 力場(chǎng)參數(shù)化137
5.1 力場(chǎng)訓(xùn)練文件138
5.1.1 訓(xùn)練集構(gòu)建138
5.1.2 初始力場(chǎng)文件138
5.1.3 參數(shù)文件139
5.2 煤分子ReaxFF 反應(yīng)力場(chǎng)優(yōu)化實(shí)踐139
5.2.1 程序運(yùn)行準(zhǔn)備139
5.2.2 程序性能142
5.2.3 力場(chǎng)參數(shù)化145
參考文獻(xiàn)146
第6章 煤分子ReaxFF 反應(yīng)力場(chǎng)驗(yàn)證148
6.1 分子結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法149
6.1.1 單純型法149
6.1.2 直線搜尋法150
6.1.3 最速下降法150
6.1.4 共軛梯度法151
6.1.5 牛頓-拉普森法151
6.1.6 BFGS法152
6.1.7 L-BFGS法152
6.2 分子動(dòng)力學(xué)計(jì)算原理154
6.2.1 發(fā)展歷史154
6.2.2 基本思想155
6.2.3 積分方法155
6.2.4 邊界條件159
6.2.5 非鍵相互作用處理160
6.2.6 分子動(dòng)力學(xué)統(tǒng)計(jì)系綜163
6.2.7 計(jì)算流程170
6.2.8 第一性原理分子動(dòng)力學(xué)172
6.3 LAMMPS 軟件176
6.3.1 概述176
6.3.2 核心特性與功能177
6.3.3 應(yīng)用領(lǐng)域178
6.3.4 輸入腳本文件179
6.3.5 data數(shù)據(jù)文件181
6.4 DFT 擬合數(shù)據(jù)驗(yàn)證185
6.4.1 幾何結(jié)構(gòu)擬合能力185
6.4.2 能量曲線擬合能力189
6.5 Coal-FF 力場(chǎng)泛化能力驗(yàn)證193
6.5.1 幾何結(jié)構(gòu)驗(yàn)證193
6.5.2 能量曲線驗(yàn)證195
6.6 分子動(dòng)力學(xué)模擬197
6.6.1 煙煤體系197
6.6.2 無(wú)煙煤體系198
參考文獻(xiàn)200
附錄一 Coal-FF ReaxFF 反應(yīng)力場(chǎng)參數(shù)202
附錄二 Coal-FF 力場(chǎng)對(duì)DFT 數(shù)據(jù)的還原能力209
書(shū)單推薦
