微尺度粘性流體流動及液滴碰撞的耗散粒子動力學(xué)研究.pdf

1、液滴動力學(xué)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(rèn)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(fù)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(fù)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(xì)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(xué)由于目前所需計(jì)算量太大而不可行。雖然元胞自動機(jī)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(fù)雜流體。 耗散粒子動力學(xué)(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(fù)雜流體系統(tǒng),處理方法并不比單組分流體更復(fù)雜；而沒有格子使得它可以更加靈活的模擬復(fù)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(xué)這種方法對流體的動力學(xué)行為進(jìn)行研究討論，研究內(nèi)容主要包括： 1) 首先對DPD方法的實(shí)施過程進(jìn)行了系統(tǒng)的討論。包括其基本思想、詳細(xì)算法以及各種參數(shù)的選取等等。 2) 應(yīng)用DPD方法對簡單流體泊肅葉流動進(jìn)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(jì)算結(jié)果與理論分析解、已有研究成果進(jìn)行對比，驗(yàn)證了程序的正確性；進(jìn)一步，我們對方形通道內(nèi)流體的三維充分發(fā)展流動進(jìn)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(jìn)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