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。

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.

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.

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.

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。

双亲纳米颗粒在选择性溶剂中的自组装行为:耗散粒子动力学模拟

接枝聚合物纳米颗粒在构筑多级功能性纳米材料方面具有很大潜力,但其在选择性溶剂中自组装相图却鲜见报道。利用耗散粒子动力学模拟研究了溶剂选择性、接枝聚合物链长度以及亲水、疏水聚合物链比例等因素对双亲纳米颗粒自组装行为的影响,并绘制了自组装形态相图。结果显示,随着浓度的增大,双亲纳米颗粒逐渐自组装成球状、棒状、二维膜、纳米膜孔等丰富纳米结构。不仅如此,溶剂与亲水、疏水聚合物相容性差异较小时(a _(S-HL)=40k _BT/R_c,a _(S-HB)=50k _BT/R_c),双亲纳米颗粒自组装形成层状纳米结构,在较高浓度时,形成规则的多孔网络结构。研究发现,双亲纳米颗粒浓度和接枝聚合物的链长以及亲水、疏水聚合物链比例是调控双亲纳米颗粒自组装形态的关键因素。鉴于双亲纳米颗粒丰富的自组装行为,它在气体分离、检测、载药、催化剂载体等领域有着很大的潜在应用价值。

磨粒流研磨液颗粒特性的耗散粒子动力学数值模拟

采用了耗散粒子动力学(DPD)模拟方法,选取三种常用的磨粒晶胞团簇模型进行DPD仿真模拟,建立三种晶胞团簇模型、得到DPD条件下的温度、压力及晶格坐标下压力张量及压力差异系数等的变化趋势,结果发现碳化硅磨粒压力及温度变化性质都较稳定,力学性能最好;进一步对碳化硅磨粒晶胞团簇模型分析,得到稳定状态后的压力为22.6Pa,温度为1.0KT。

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。

耗散粒子动力学中固壁模型对纳米颗粒吸附模拟的影响

耗散粒子动力学(dissipative particle dynamics,DPD)方法是模拟介观流动的有力工具.模拟中常用的FCC(face centered cubic)固壁模型会在壁面附近产生虚假的流体密度波动.作为纳米颗粒吸附问题的关键区域,这个现象不可忽略.采用随机壁面模型模拟纳米颗粒吸附问题,并就壁面附近液体密度分布和纳米颗粒吸附的模拟与传统的FCC壁面模型进行了比较.

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.

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.

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.

淀粉乳液形成过程主要影响因素的耗散粒子动力学模拟与实验

以环己烷为油相、淀粉乳液为水相、Span60和Tween60为乳化剂,用耗散粒子动力学(DPD)方法研究了淀粉乳液形成过程及油水比、乳化剂用量等因素对淀粉乳液形成的影响.结果表明,模拟6000步时,体系达到平衡状态;乳滴的粒径随乳化剂含量的增加先减小而后增加,随淀粉含量的增加而增加,随环己烷含量的减小而增加;形成稳定淀粉乳液体系的参数范围:7<油水比≤20,9%<乳化剂用量≤18%.实验结果表明,乳化剂含量为11%～15%时,微球的粒径随乳化剂含量的增大而减小;乳化剂含量大于15%时,微球的粒径反而增大.实验与模拟的结果吻合.

P123(PEO20-PPO70-PEO20)嵌段共聚物水溶液物理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）方法研究了P123（PEO20-PPO70-PEO20）嵌段共聚物水溶液常温下的物理凝胶化行为. 在体积分数（2%~10%）较低时, P123在水溶液中形成球形胶束. 当P123的水溶液体积分数升高到20%时, 会形成柱状胶束. 在P123的水溶液体积分数为30%和40%时, 观察到具有三维网络结构的凝胶. 这些模拟结果不仅与实验结果一致, 而且证明了耗散粒子动力学方法是一种非常适合研究物理凝胶化行为的重要方法. 另外, 在P123的水溶液体积分数为40%时, 研究了凝胶随着时间发展的形成过程.

聚丙烯/聚苯乙烯共混体系相态结构的耗散粒子动力学模拟

通过计算Flory-Huggins相互作用参数,采用耗散粒子动力学(dissipative particle dynamics,DPD)模拟方法对聚丙烯(PP)/聚苯乙烯(PS)共混体系的相态结构进行研究.结果表明,共混体系温度越高,剪切速率越大,则分散相的分散性越好,颗粒尺寸越小.通过对分散相聚并过程的观察,发现剪切过程又能诱导聚并发生.另外,随着PS相对分子质量的增加,PS相的黏度增加,造成PP和PS黏度比变大,分散相尺寸差异变大.

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。

蝌蚪型嵌段共聚物的耗散粒子动力学模拟

利用耗散粒子动力学模拟方法研究了二维蝌蚪型嵌段共聚物的微观相分离,得到了相形貌与蝌蚪型嵌段共聚物尺寸的依赖关系.通过计算结构因子,对相图的结构进行了分析.模拟结果揭示了本体中影响蝌蚪型嵌段共聚物微观相分离的主要因素.