复杂多相流体的介观模拟:耗散粒子动力学方法及应用

在悬浮液、乳液和泡沫等复杂多相流体中,离散分布着大量的纳米至微米尺度的颗粒、液滴和气泡等,在流动作用下这些离散相物质呈现出复杂的个体或群体运动行为,进而显著影响这些复杂多相流体的宏观流变和流动行为.针对这类流体,开展介观尺度数值模拟成为一种有效且相对经济的研究手段.其中,耗散粒子动力学(dissipative particle dynamics,DPD)方法是一种具有代表性的介观尺度数值模拟方法,由于其粒子方法的特质,DPD方法适合用于上述复杂多相流体内部结构的数值建模和数值模拟研究.本文对近年来DPD方法在颗粒悬浮液、乳液和气泡等复杂多相流体模拟方面研究进展进行了系统的介绍,深入探讨了DPD方法在复杂多相流体介观模拟方面的针对性改进以及当前存在的不足,并对DPD方法的研究和应用进行了总结和展望.

基于耗散粒子动力学模拟辅助的纳米结构脂质载体优化制备

基于分子模拟能够探究纳米结构脂质载体(nanostructure lipid carriers,NLC)各物质间的结合能、溶解度参数等,预测混合物的相容性,从而用于指导实验前原料种类以及用量选择。该文以姜黄素(curcumin,Cur)为模型营养物,以固体脂质(单硬脂酸甘油酯)和液体脂质(中链甘油三酯、葵花籽油、甜橙油)及表面活性剂(泊洛沙姆188、卵磷脂、吐温-80)作为筛选对象,采用耗散粒子动力学(dissipative particle dynamics,DPD)方法进行模拟筛选,再通过正交试验制备NLC以对模拟结果进行验证,最后对NLC的粒径和微观形态等进行表征。模拟与实验结果均表明,单硬脂酸甘油酯-中链甘油三酯(medium chain triglycerides,MCT)-卵磷脂能形成较好的载体体系,固液脂质比为1∶3(质量比),卵磷脂含量为5%(质量分数),姜黄素含量占总脂质的3%(质量分数)时形成的球壳结构最好。优化后制备的姜黄素NLC平均粒径为(233.8±2.4)nm,电位为(-38.2±0.6)mV,包封率为85.06%,微观形态均匀分散、没有明显聚集现象。

周期纳米颗粒阵列中聚合物链扩散行为的耗散粒子动力学模拟

聚合物纳米复合材料(polymer nanocomposite,PNC)因其兼具纳米颗粒(nanoparticle,NP)和聚合物的性质而展现出较好的力学性能,目前在材料领域和软物质科学研究中广受关注.由于聚合物在多尺度动力学特征方面研究的困难性,故预测聚合物在聚合物纳米复合材料中的扩散行为是一个亟待解决的问题.采用耗散粒子动力学(dissipative particle dynamics,DPD)方法模拟了不同链长的聚合物在聚合物纳米复合材料中的扩散过程,并用一个关键的无量纲约束系数χ,即聚合物链首末端距离Lee与有效自由扩散长度Lf的比值,对聚合物链的扩散行为进行刻画.通过分析纳米颗粒的浓度、聚合物链的长度和聚合物纳米颗粒之间的相互作用对聚合物扩散的影响,提出了聚合物链的有效扩散率关于约束系数χ的标度率,并证实该标度关系可以准确预测低约束系数χ时的模拟结果.该工作对聚合物纳米复合材料的理论发展和应用研究有着一定的指导意义.

液滴聚结动态特性与多体耗散粒子动力学分析

阐述提高冷凝效率并预防结冰,采用多体耗散粒子动力学(MDPD)方法,模拟两个液滴合并弹跳过程中的动态过程以及跳跃现象,并且探讨这一现象的原理。

聚合物基复合填充体系的耗散粒子动力学模拟

为了设计并开发兼具较好的导热和力学性能的聚合物复合材料,利用耗散粒子动力学(DPD)模拟方法,研究了填充片状、棒状2种填料组合的聚合物复合材料体系。设计了一系列片状和片-棒结合的填料,研究了填料结构、片-棒结合方式对复合体系导热和力学的影响。研究发现,利用棒状填料固定2层片状填料,形成片-棒组合填料,能同时提高聚合物体系的力学及导热性能。模拟分析了片-棒组合填料的结构及尺寸因素对复合体系性能的影响,预测了制备高导热、高力学的聚合物复合材料的可行性。研究结果对实验研究制备高性能填充型聚合物复合材料具有重要的理论指导意义。

基于能量守恒耗散粒子动力学方法的自然对流模拟改进研究

能量守恒耗散粒子动力学(eDPD)是一种研究热输运过程的介观尺度数值模拟方法,然而在eDPD系统内引入Boussinesq假设以研究自然对流问题时,eDPD系统自身的热膨胀性对模拟结果的影响常常被忽略.首先研究了eDPD系统的热膨胀性,通过模拟获得eDPD系统的热膨胀系数β;并由此模拟了不同瑞利数Ra、不同几何结构下的自然对流;利用eDPD系统自身的热膨胀性,在不引入Boussinesq假设的前提下获得了合理的温度场和速度场,与相同Ra数下有限体积法模拟结果相比,误差明显小于以往研究中相同条件下的对比误差.研究表明在eDPD系统中引入Boussinesq假设时,需要考虑eDPD系统自身热膨胀性的影响,并且进一步对Ra数的计算进行了修正.

基于多体耗散粒子动力学的液滴撞击细杆研究

液滴碰撞细杆的现象在固液分离和玻璃棉制造等方面有着重要的应用,采用了多体耗散粒子动力学(MDPD)模拟液滴碰撞圆柱形杆,研究了不同碰撞速度,不同液滴直径以及不同杆的高度对于扩散系数、最大扩散系数的影响。结果表明,液滴的碰撞结果可以分为三种类型,随着碰撞速度和细杆与壁面间高度的改变会导致不同的结果。

重质油胶体聚集结构的耗散粒子动力学模拟

重质油是以沥青质为胶核分散于饱和油分中形成的极其复杂的胶体体系.本文采用耗散粒子动力学(DPD)方法研究重质油的胶体结构及其影响因素.根据重质油各组分的分子结构特征,构建了描述重质油组分的粗粒化模型化合物.模拟结果表明,本文构建的粗粒化模型能很好地反映重质油的胶体聚集结构.沥青质分子结构对胶体聚集结构有序性有显著影响,较高稠合程度的芳香环结构将使胶束结构有较高的有序性,烷基侧链则表现出分散作用.重质油中的胶质具有胶溶作用,胶质与沥青质的浓度比存在一个极限,当小于这个极限时,重质油将出现聚沉.

耗散粒子动力学的优化修正Velocity Verlet算法

在Groot和Warren耗散粒子动力学的修正VelocityVerlet算法的基础上引入优化方法获得一个简单的计算λ的表达式,提出一种自洽获取该值的优化修正VelocityVerlet算法.模拟结果表明,这种通过优化来获得参数的修正VerlocityVerler算法具有运算量小、温度稳定的优点,可以在耗散粒子动力学模拟中使用.

微通道中液滴的耗散粒子动力学模拟

利用耗散粒子动力学(DPD)对三维微通道中的液滴动力学进行了研究.通过提高两种流体之间的保守力系数获得不互溶的两种流体,并分析了相应的F lory-Hugg ins模型中的χ参数.DPD计算所获得的表面张力与G root等给出的理论公式相符合.计算采用消息传递并行计算技术(M P I),计算过程模拟了高分子液滴穿过突扩突缩通道时的形态变化.计算结果表明,不同尺寸的高分子液滴穿过微通道所需要的时间不同,随着液滴直径与通道高度比值的增加,所需时间单调上升,但上升的趋势逐渐减缓.

均匀电场中液滴变形特性的耗散粒子动力学模拟

基于耗散粒子动力学方法,建立了电场作用下近似的液滴粒子力学模型,对两相不相溶液体中液滴在电场作用下的变形特性进行了模拟。模拟结果与他人的实验结果比较表明,模拟结果对液滴形状随时间的演化预测基本符合实际,仅在液滴变形较大时有一定偏差。模拟结果还表明,当外加场强较小时,液滴变形度随时间呈现振荡状态,变形度不会随时间继续增大。增大外加场强,液滴变形幅度增大,振荡频率变慢。当外加场强增大到一定程度时,液滴变形度不再振荡,而是随时间急剧增大,以至液滴最终破碎。场强越大,液滴破碎所需的时间也越短。

双嵌段共聚物薄膜介观结构的耗散粒子动力学模拟

采用耗散粒子动力学(DissipativeParticleDynamics,DPD)方法模拟两平行平板间的双嵌段共聚物体系的介观结构.模拟结果表明,随板间距的增大,体系分层数量的增加是不连续的,在分层数量的增加过程中,出现不规则结构的过渡区;聚合物链末端距随板间距的增大呈周期性振荡,振荡幅度逐渐减小.对模拟结果的分析表明:层状结构转变点与分层数量之间存在近似线性关系;层状结构转变点近似与共聚物链长的2/3次方成正比.

PEO-PPO-PEO水溶液体系胶束化及凝胶化行为的耗散粒子动力学模拟

采用耗散粒子动力学(Dissipative particle dynamics,DPD)模拟方法研究了三嵌段共聚物聚氧乙烯-聚氧丙烯-聚氧乙烯(PEO-PPO-PEO)的胶束化和凝胶化行为.通过模拟得到了F127(EO99PO65EO99)水溶液的临界胶束浓度和临界凝胶浓度.结果发现,在298 K、质量分数低于40%时,F127水溶液中形成的胶束形状均为球形.此外,进一步研究了亲水嵌段长度对胶束结构及凝胶形成浓度的影响,结果发现,亲水嵌段越短,越有利于长椭球状胶束的形成,而临界凝胶浓度随着亲水嵌段PEO长度的增加而降低.

微通道疏水表面滑移的耗散粒子动力学研究

了解疏水表面的滑移规律对其在流动减阻方面的应用至关重要.利用耗散粒子动力学(dissipative particle dynamics, DPD)方法研究了微通道疏水表面的滑移现象.采用固定住的粒子并配合修正的向前反弹机制,构建了DPD固体壁面边界模型,利用该边界模型模拟了平板间的Couette流动.研究结果表明,通过调整壁面与流体间排斥作用强度,壁面能实现从无滑移到滑移的转变,壁面与流体间排斥作用越强,即疏水性越强,壁面滑移越明显,并且滑移长度与接触角之间存在近似的二次函数关系.无滑移时壁面附近密度分布均匀,有滑移时壁面附近存在低密度区域,低密度区域阻碍了动量传递,致使壁面产生滑移.

温敏性两亲嵌段共聚物相行为的耗散粒子动力学模拟

采用耗散粒子动力学模拟研究了由温敏性聚N-异丙基丙烯酰胺(PNIPAM)与聚己内酯(PCL)构成的两亲嵌段共聚物(PCL-PNIPAM-PCL)在水溶液中自组装的动力学过程及微相分离现象,考察了溶液浓度及温度对其相行为的影响。模拟发现不同体积分数的嵌段共聚物在水溶液中呈现出不同的自组装形貌,如球状胶束、柱状胶束、层状胶束等。温度对其在水溶液中的形貌及相变行为有着显著的影响。当温度较低时,PCL-PNI-PAM-PCL于稀溶液中可形成稳定的以PCL为核,PNIPAM为壳的球形核壳胶束;而当温度升高到某一值时,在低温时所形成的球形核壳胶束将因温度的升高而转变为表面由PCL组成的多个不连续微区的多隔段胶束。这种温敏现象在耗散粒子动力学模拟中尚属首次被发现。另外,模拟中所得到的该体系的低临界溶解温度与实验测得的值也符合良好。对这一温敏现象作了较深入和细致的解释。本文工作表明耗散粒子动力学能用来研究温度对温敏性两亲嵌段共聚物相行为的影响并揭示其中的机制和一般规律。

水基铁磁流体磁致凝聚行为的三维耗散粒子动力学研究

用耗散粒子动力学方法对铁磁流体在外加恒定磁场作用下的凝聚行为进行了三维模拟。基于Flory-Huggins相混理论得到包括磁性颗粒珠子间的通常意义上的相互作用参数;利用Ewald方法把单磁畴结构的磁性颗粒长程的磁性相互作用转换成短程加和形式,从而得到磁偶极子的磁性相互作用参数。模拟结果表明,外加磁场强度是形成凝聚结构的关键因素,其大小决定凝聚柱状结构的直径、长度和密度等性质;铁磁流体中磁性颗粒数目百分比高对于柱状结构的形成有利,磁性珠子中的铁磁颗粒拓扑增加会提高凝聚的几率。

均聚物链吸附在胶束表面上的非平衡态耗散粒子动力学

利用平衡态耗散粒子动力学(DPD)方法研究了嵌段共聚物自组装形成胶束及均聚物链在其表面的吸附.采用非平衡态耗散粒子动力学(NEDPD)方法,通过加入剪切作用研究了均聚物的脱落和胶束的分裂过程.研究结果表明,在小的剪切速率下,胶束会带着均聚物滑动和滚动;在大的剪切速率下,胶束会完全破裂,组成胶束的嵌段共聚物也像均聚物一样被拉长;只有在适当的剪切速率范围内,才会有均聚物的脱落和胶束分裂的过程.通过分析给出了剪切速率大小与脱落时间的对应关系.

耗散粒子动力学模拟方法的发展和应用

耗散粒子动力学(dissipative particle dynamics,DPD)模拟方法是一门新兴的介观尺度数值模拟技术,是研究复杂物系介观结构的一种重要手段,也是联系宏观尺度和微观尺度的重要模拟方法之一.首先介绍DPD模拟方法的提出和它的发展过程;接着从DPD的理论模型、数值积分方法、参数的选择以及模拟系统与真实系统之间的映射关系4个方面介绍DPD的方法体系;然后介绍DPD模拟方法在复杂流体中的应用情况,具体包括多相流的聚集、微相分离和液滴的变形、破碎以及微通道内的流动等;最后,对此领域的发展方向进行了预测分析.

TATB基PBX介观结构的耗散粒子动力学模拟

利用耗散粒子动力学对四种TATB基PBX的介观结构及其演变过程进行了研究。结果表明:聚合物在单质炸药TATB中形成线形的网状结构,但没有完全包覆TATB;随着聚三氟氯乙烯重复单元在聚合物中含量比例的增加,聚合物在TATB中的扩散变得越来越容易;温度升高也会使更多的聚合物扩散到TATB中。研究发现,温度在400K时,聚合物形成蜂窝状结构,能很好地包覆TATB。

方形通道内流体流动的耗散粒子动力学并行计算

利用耗散粒子动力学(DPD)对方形通道内流体流动进行了模拟.通道壁面由3层粒子组成.在壁面附近实施了无滑移边界条件,在流动方向实施了周期性边界条件.计算中对每一颗粒子施加重力,从而驱动整个流体流动.计算结果表明,流体充分发展的速度分布与基于N-S方程的数值模拟结果一致.并行计算结果表明,DPD很适合于并行计算.与每个节点所处理的总的粒子数目相比,只有少数粒子参与通信,因此能够获得较高的并行效率.当节点数目为18时,并行效率仍然在80%以上.