微尺度粘性流體流動及液滴碰撞的耗散粒子動力學研究.pdf

1、液滴動力學是多相流體系統(tǒng)研究的一個重要方面。許多與工業(yè)、生物有關(guān)的系統(tǒng)，如乳濁液、聚合物共混物以及生物流體等都可以被認為是液滴的懸浮物。液滴之間的相互作用包括碰撞、聚合或者分離等過程，同時涉及到液滴的變形和破碎。 復雜流體系統(tǒng)在宏觀尺度上觀測到的物理現(xiàn)象，從根本上講，是由復雜流體本身的特征微觀結(jié)構(gòu)所決定；而這些微觀結(jié)構(gòu)可以是高分子聚合物或者不互溶性混合物，而不必為最細節(jié)的分子結(jié)構(gòu)。這要求所采用的研究技術(shù)能涉及介觀尺度，而分子動力

2、學由于目前所需計算量太大而不可行。雖然元胞自動機和格子-波爾茲曼方法等都屬于介觀尺度的數(shù)值模擬技術(shù)，但是它們比較難于處理復雜流體。 耗散粒子動力學(DPD)是一種新興的介觀尺度數(shù)值模擬技術(shù)。在DPD系統(tǒng)中，其基本的單元是一些被稱為粒子的動量載體，這些粒子代表的是大量分子的集體行為。DPD方法的優(yōu)越性在于能夠容易地模擬復雜流體系統(tǒng),處理方法并不比單組分流體更復雜；而沒有格子使得它可以更加靈活的模擬復雜邊界；還可以獲得更多有關(guān)流體的

3、信息。 本文利用耗散粒子動力學這種方法對流體的動力學行為進行研究討論，研究內(nèi)容主要包括： 1) 首先對DPD方法的實施過程進行了系統(tǒng)的討論。包括其基本思想、詳細算法以及各種參數(shù)的選取等等。 2) 應用DPD方法對簡單流體泊肅葉流動進行了模擬。其中通道上下壁面分別由三層粒子構(gòu)成。采用簡單的DPD粒子來模擬簡單流體。在X和Y方向?qū)嵤┲芷谛赃吔鐥l件。對每一顆流體粒子施加重力，從而驅(qū)動流體產(chǎn)生流動。研究表明，簡單的DPD

4、流體呈現(xiàn)出牛頓流體的特性。將計算結(jié)果與理論分析解、已有研究成果進行對比，驗證了程序的正確性；進一步，我們對方形通道內(nèi)流體的三維充分發(fā)展流動進行了模擬，與CFD得到的數(shù)值解完全吻合。 3) 采用提高流體之間排斥力系數(shù)的方法，得到不互溶性兩相流系統(tǒng)，并研究了液滴在剪切流驅(qū)動下的碰撞表現(xiàn)。對影響液滴變形的重要參數(shù)Ca數(shù)和粘度比進行了分析。通過改變相關(guān)參數(shù)獲得一組Ca數(shù)，從而得到不同Ca數(shù)下液滴之間的碰撞表現(xiàn)；另外也分析了DPD模型中的