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.

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.

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。

耗散粒子动力学模拟Nafion膜和PVA/Nafion共混膜的介观结构

采用耗散粒子动力学模拟方法研究了水化Nafion膜和水化聚乙烯醇(PVA)/Nafion共混膜的微结构.模拟结果表明水化Nafion膜和水化PVA/Nafion共混膜均能形成相分离的微结构.在水化Nafion膜中,水与磺酸根混合形成管状的水团簇.随着膜内水含量增多,管状水团簇的尺寸逐渐变大并在膜内形成连续的水通道.在水化PVA/Nafion共混膜中,PVA、水、磺酸根混合形成亲水性区域.共混膜中PVA的质量分数和水含量共同影响膜的微结构.当膜中PVA质量分数较低时,PVA主要分布在Nafion的磺酸根基团周围;PVA质量分数升高后,PVA会在膜内单独成一相.当膜中的水含量相对较低时,水分子会溶解于PVA中,此时膜内不存在单独的水团簇;膜中的水含量增多后,膜内会形成接近于球形的水团簇.本文工作可为直接甲醇燃料电池用的PVA改性Nafion膜的开发提供参考.

SBA-15介观相形成过程的耗散粒子动力学模拟

采用耗散粒子动力学方法(dissipative particle dynamics,DPD),以介孔分子筛SBA-15的合成原料P123/TEOS/H2O为研究体系,模拟了P123/TEOS超分子自组装行为,及剪切力作用下介孔分子筛SBA-15六角介观相的形成过程。结果表明:在水溶液中,P123与TEOS两相能够发生协同作用自组装形成超分子聚集体(胶束),该胶束由疏水的PPO球核、亲水的PEO球壳以及聚集包裹在P123外部的TEOS组成;引入稳恒剪切力后,P123/TEOS超分子聚集体则会逐渐转变成规整的六角结构,并最终形成SBA-15六角介观相,这与实际材料的TEM电镜图片相吻合。可以说,DPD模拟方法是一个研究有序介孔分子筛SBA-15形成机理的有效手段,可为实验合成提供介观层面上的重要信息。此外,还拓展了DPD模拟在超分子自组装介观尺度研究方面的新应用。

耗散粒子动力学模拟Nafion-[Bmim][TfO]离子液体复合膜的介观结构

采用耗散粒子动力学方法模拟研究了离子液体的含量和温度对Nafion-[Bmim][Tf O]离子液体复合膜的介观结构的影响。模拟发现了微相分离现象。对不同条件下的微相分离形成的孔径分析表明,随着离子液体在复合膜中含量的增加,离子液体在膜中的聚集状态由分散的团簇转变为连续的通道,但过高的含量会产生腔室结构。随着温度的上升,离子液体通道的结构变得更加复杂,原有的腔室结构转化为通道的新支路,即高温下离子液体通道变得更加连通。界面分布几率和径向分布函数的计算结果表明,离子液体的阳离子烷基链嵌进Nafion主链中,侧链磺酸基团分布的变化直接影响咪唑基团和阴离子在微相界面的分布。本工作在介观水平上探索了Nafion-离子液体复合膜结构,可为开发高温聚电解质燃料电池材料提供一定的参考。

水溶液中嵌段共聚物的耗散颗粒动力学模拟

用耗散颗粒动力学(dissipativeparticledyanmics)模拟方法研究了PluronicL64(PL64)和Pluronic25R4(25R4)三嵌段共聚物水溶液中的介观相分离,模拟了聚合物聚集的动力学变化过程.结果发现,在水溶液中,不同浓度的聚合物溶液表现出不同的介观结构,如分散相、球形胶束、双连续相(bicontinuous)等;而PluronicL64在低浓度时更容易形成双连续相.耗散颗粒动力学模拟可以作为实验的一个辅助,提供介观层次上的信息,对实验起到指导作用.

Triton X-100/甲苯/水三元体系界面张力的耗散颗粒动力学模拟

采用耗散颗粒动力学方法在介观层次上模拟了非离子表面活性剂TritonX-100在油/水界面上的分布行为,并把用于油/水二元体系界面张力的计算方法拓展到含表面活性剂的三元体系.利用该方法可以得到与实验数值吻合的界面张力数据.另外,模拟结果直观展示了表面活性剂界面张力与界面密度的关系,为表面活性剂复配增效理论提供了依据.该模拟方法给出的微观信息可以为驱油体系配方筛选和表面活性剂有效应用提供指导.

疏水缔合聚合物溶液性质的耗散颗粒动力学模拟

本文利用耗散颗粒动力学模拟方法,研究了疏水缔合聚合物溶液黏度随浓度、温度、剪切程度等条件的变化,并模拟了聚合物在油水体系中的聚集行为。研究发现,疏水缔合聚合物在溶液中表现出类似表面活性剂的聚集行为,其黏度随外界影响因素变化主要是由于溶液中聚合物聚集结构的转变。聚合物浓度较低时,聚合物主要以分子内缔合作用为主;随着浓度的增加,产生分子间缔合,并逐步形成相互交联的空间网络,水珠子的扩散率逐渐变小,体系黏度增加。当温度较低时,体系呈现较多柱状聚集结构,黏度较高;随着模拟温度升高,尺寸较大的棒状聚集体转变为球状聚集体,水珠子扩散率不断增加,体系黏度逐渐降低。随着体系剪切速率的提高,聚合物分子在受力方向上取向趋于一致,分子间缠绕和缔合程度减轻,水珠子扩散率急剧增加,体系黏度降低。另外,疏水缔合聚合物易吸附于油水界面,对油水体系的乳化和相转变产生一定影响。

利用耗散颗粒动力学方法模拟优选合成聚表剂的可聚合季铵盐单体

为研究聚合物表面活性剂（聚表剂）分子结构变化对聚表剂和油-水界面性质的影响,优选出最佳性能的聚表剂。以正十六烷基为油相,水为水相,采用耗散颗粒动力学方法（DPD）模拟含有不同可聚合季铵盐表面活性基团的聚表剂在油-水界面的性质,研究了聚表剂摩尔分数及季铵盐基团种类等因素对油-水界面性质的影响。模拟结果表明,模拟体系中聚表剂摩尔分数范围以0.02-0.06为宜;通过模拟优选出最佳季铵盐单体为对甲基苯乙烯基十二烷基二甲基溴化铵（R4）,聚表剂AMR4在油水体系中最佳摩尔分数为0.06,此时界面张力值最低、界面效率最佳且聚表剂分子均方根末端距最大。聚表剂分子几乎全都分布在油-水界面层,其界面活性使得油-水界面厚度增大,油-水界面张力降低。

耗散颗粒动力学模拟油水体系相行为

用耗散颗粒动力学模拟方法(Dissipative Particle Dynamics,DPD)研究了油分子量、油分子浓度、剪切及表面活性剂SDS(十二烷基硫酸钠)对油水体系相行为的影响.发现随着油分子量的增加,油水界面张力增加;随着油浓度的增加,体系由最初的水包油聚集状态逐渐演变为油水分层状态.随着剪切速率的加大,油滴被逐渐拉长,最后断裂;表面活性剂加入油水体系后,以亲水头基伸入水相、疏水尾巴伸入油相的方式分布在油水界面上.

聚表剂耗散颗粒动力学模拟及溶液特性研究

为了提高高矿化度非均质稠油油藏的采收率,基于耗散颗粒动力学(DPD)模拟,对聚合物表面活性剂KL-6的溶液特性进行了研究,分析了KL-6的分子结构及水溶液增黏机理,并与部分水解聚丙烯酰胺(HPAM)进行了对比。利用DPD方法模拟了PAM、HPAM、KL-6在水溶液中的溶解状态,研究了分子链结构对聚合物分子行为的影响,分析了不同浓度HPAM和KL-6溶液的增黏性;比较了HPAM和KL-6溶液的增黏性、表面活性、抗盐性及两种聚合物溶液的微观结构。结果表明,聚表剂KL-6具有分子间缔合作用和表面活性,其临界缔合浓度为0.6 g/L;在临界缔合浓度以上,KL-6溶液黏度显著高于HPAM;在相同浓度下,KL-6溶液的表/界面活性显著高于HPAM;盐溶液中KL-6分子链形成了三维网状结构,具有很好的抗盐能力。研究结果可为开发和应用性能优异的聚合物表面活性剂提供理论指导。

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.

PEG-b-PDMS-b-PEG微相分离结构的耗散粒子动力学模拟

为了探讨PEG-b-PDMS-b-PEG三嵌段共聚物中链段含量对其微相分离结构的影响规律,采用耗散粒子动力学模拟方法,建立了不同PEG链段含量的共聚物介观结构模型.通过介观相分离过程及形态的模拟,分析了相形貌与侧链接枝密度的依赖关系.模拟结果表明,随着嵌段共聚物体系中侧链密度的增加,微相分离结构呈现规律性变化,出现了粒状、岛状及双连续相等不同形态的介观结构.同时,对PEG含量为28%的PEG-b-PDMS-b-PEG三嵌段梳型共聚物的原子力形貌观察结果表明,其具有一定的相分离结构.

PEO-PPO-PEO三嵌段共聚物自组装行为的耗散粒子动力学模拟

采用耗散粒子动力学方法(DPD),模拟了聚氧乙烯-聚氧丙烯-聚氧乙烯(PEO-PPO-PEO)三嵌段共聚物在乙醇溶液中的自组装行为,考察了该共聚物的体积分数和聚氧乙烯(PEO)嵌段链长对介观形貌的影响。当F88(PEO104-PPO39-PEO104)体积分数为20%时,胶束由初始的均衡分散态逐渐聚合,最终形成PPO为核、PEO为壳的平衡态柱状团聚体。改变共聚物的体积分数和PEO链的长度,会形成不同的介观结构,如:球状、柱状、立体网络、层状和穿孔状结构等。结果表明,DPD方法是研究三嵌段共聚物自组装行为和介观结构形成机理的有效工具,对合成具有特定结构性能的材料有一定的指导意义。

耗散粒子动力学对颗粒沉降问题的研究

给出了一种耗散粒子动力学方法模拟流体流动的理论及数值模型,包括控制方程组、边界条件、数值计算方法。使用耗散粒子动力学方法编程计算了颗粒在重力作用下的沉降运动,观察到颗粒的质量和所受重力对颗粒运动轨迹的影响,且颗粒质量越小,所受重力越小,颗粒运动所表现出的随机性越强烈。从而验证了所采用的数学模型、计算方法在流动数值模拟中的可行性及潜在优势。

重质油稳定性的耗散粒子动力学模拟

重质油的稳定性关乎其开采、储运及加工过程安全。准确的重质油稳定性判定方法对重质油生产及加工过程具有重要指导意义,然而重质油稳定性的经验判定法存在一定的局限性。从理论层面建立重质油稳定性的判定方法将提高重质油稳定性的预测准确度,本文基于耗散粒子动力学方法(DPD)模拟了不同重质油体系分子的微观聚集态。模拟结果表明,重质油体系的沥青质聚集率与胶体不稳定指数(C.I.I.)及稳定性判定图的判定结果吻合,验证了模拟体系的准确性。在此基础上,基于DPD模拟结果对C.I.I.及稳定性判定图的局限性进行了讨论,提出了改进的稳定性判定图用于重油稳定的快速判定。提出的重质油稳定性判定方法有望用于实际工业过程。

纳米流体液滴的耗散粒子动力学模拟

采用在介观尺度下适用的耗散粒子动力学(dissipative particle dynamics,DPD)方法,对考虑静电力作用的纳米流体系统进行建模,研究了在纳米颗粒带电量和浓度影响下纳米流体液滴接触角的变化.通过对实验过程进行的数值模拟,得到了定性相同的结果.

复杂流体流动的耗散粒子动力学研究进展

综述了耗散粒子动力学在复杂流体流动方面的研究进展,包括利用耗散粒子动力学研究液滴变形及破碎行为、微通道中DNA分子悬浮液的流动以及毛细血管中红细胞凝聚机理等方面的研究成果。同时,也简要介绍了并行计算技术在耗散粒子动力学方面的应用。

基于分子动力学与耗散粒子动力学串行耦合的面心立方金属粗粒化模型（英文）

通过全原子分子动力学(MD)与等温耗散粒子动力学(DPD)的串行耦合,提出了面心立方金属粗粒化模型的建立方法。该方法将一定数量的原子粗粒化为单个介观DPD粒子,假设DPD粒子间作用势的表达式为Sutton-Chen势函数形式,利用遗传算法,以MD和DPD计算的单晶金属常温(298K)等温线相一致为目标,确定了DPD粒子间作用势函数的参数。对单晶铜纳米棒的轴向拉伸开展MD和DPD对比模拟,发现在纳米棒弹性响应阶段,两者计算结果吻合较好,而屈服应力和屈服应变存在一定差距。建议在优化DPD势函数参数时,引入更多的材料力学响应信息,进一步提高介观DPD模型的准确性。