适用复杂几何壁面的耗散粒子动力学边界条件

耗散粒子动力学(DPD)是一种针对介观流体的高效的粒子模拟方法,经过二十多年发展已经在诸如聚合物、红细胞、液滴浸润性等方面有了很多研究应用.但是因为其边界处理手段的不完善,耗散粒子动力学模拟仍局限于相对简单的几何边界问题中.本文提出一种能自适应各种复杂几何边界的处理方法,并能同时满足三大边界要求:流体粒子不穿透壁面、边界处速度无滑移、边界处密度和温度波动小.具体地,通过给每个壁面粒子赋予一个新的矢量属性局部壁面法向量,该属性通过加权计算周围壁面粒子的位置得到;然后通过定义周围固体占比概念,仅提取固体壁面的表层粒子参与模拟计算,减少了模拟中无效的粒子;最后在运行中,实时计算每个流体粒子周围固体粒子占比,判断是否进入固体壁面内,如果进入则修正速度和位置.我们将这种方法应用于Poiseuille流动,验证了该方法符合各项要求,随后还在复杂血管网络和结构化固体壁面上展示了该边界处理方法的应用.这种方法使得DPD模拟不再局限于简单函数描述的壁面曲线,而是可以直接从各种设计图纸和实验扫描影像中提取壁面,极大地拓展了DPD的应用范围.

石墨烯表面的特征水分子排布及其湿润透明特性的分子动力学模拟

石墨烯因其独特的分子构型、卓越的物理化学性能而受到广泛关注.本文首先利用分子动力学模拟比较了单层石墨烯、铜、二氧化硅三者表面的浸润性,除了接触角的比较,还分析了基底表面的水分子排布,得到石墨烯表面的特征水分子排布为:表面有两层密集的水分子层,其中靠近基底的密集水分子层中O—H键与垂直基底方向夹角集中在90°附近,并且基底表面的氢键几乎都垂直于基底.另一方面,本文研究了石墨烯浸润透明特性,发现在铜和二氧化硅上添加一层石墨烯,对铜的浸润性影响较小,对二氧化硅的浸润性影响很大,不仅使其上接触角显著增大,还使得基底表面的水分子排布呈现出类似单层石墨烯上的规律.本文使用分子动力学模拟方法从微观尺度验证了文献的实验结果,从基底表面水分子排布角度分析了石墨烯独特的浸润透明特性,为进一步开发石墨烯在微结构设计上的应用提供了理论指导.

耗散粒子动力学GPU并行计算研究

研究了耗散粒子动力学基于计算统一设备架构的图形处理器(GPU)并行计算的实施.对其中涉及的算法映射模型、Cell-List法数组的并行化更新、随机数生成、存储器访问优化、负载平衡等进行了详细的讨论.进一步模拟了Poiseuille流动和突扩突缩流动,从而验证了GPU计算结果的正确性.计算结果表明,相对于基于中央处理器的串行计算,在耗散粒子动力学中实施GPU并行计算可以获得约20倍的加速比.