介观尺度复杂流体能量守恒耗散粒子动力学研究

摘要

随着科学技术的发展，微电子机械系统等微型原器件得到了广泛应用，对微型原器件的设计和制造提出了更高的要求，进一步研究微电子机械系统的内部液体流动机理、伴随的传热机理非常具有学术价值。但是微型电子机械系统内部尺度一般处于介观尺度，基于连续介质力学力学宏观数值模拟方法不能准确处理该尺度的问题，而分子动力学等微观方法的计算规模又很难达到这一计算尺度。能量守恒耗散粒子动力学(eDPD)是一种粗粒化的分子动力学方法，不仅可以研究介观尺度下的复杂流体行为，还可以计算复杂的传热问题，是研究介观尺度下伴随热量传递的复杂流体行为一种理想方法。
　　本文系统地阐述了能量守恒耗散粒子动力学方法，指出了该方法的主要特点，分析了其在处理复杂流体行为时的优势。本文的主要研究内容包括:
　　(1)采用eDPD对通道内流体绕流方形柱体阵列的流场和温度场进行研究，分析不同雷诺数下流场和温度场的分布特点。研究表明:当雷诺数增大时，柱体周围流体温度变化增大，对流换热现象明显。随着雷诺数增大流体流过柱体时出现了不同程度的漩涡，在漩涡区流速降低，对流换热速度减弱，出现了局部温度峰值。
　　(2)采用eDPD模拟介观尺度微通道泊肃叶流中高分子的运动特性，研究表明可以将高分子溶液看作幂律流体，随着高分子浓度增大幂律指数减小，高分子溶液越偏离牛顿流体特性。同一高分子浓度不同温度时幂律指数基本不变。本文进一步分析了不同高分子浓度、温度以及不同驱动力下通道内流体的速度分布、应力分布、温度分布、高分子链质心分布以及高分子链瞬时位置。结果表明:高分子链远离壁面分布，不同温度的高分子链与周围流体的温度差最终会导致其分布位置在浮升力作用下有所变化，随着通道内驱动力增大浮升力的影响逐渐减小;在通道中由于速度分布不均匀，速度快的地方温度分布变化明显，对流换热现象明显;温度和高分子链的浓度变化对剪切应力分布影响不大，对流动方向的正应力影响较大。

目录

声明

摘要

1．1 研究背景及意义

1．2 DPD发展历史

1．3 eDPD发展历史

1．4 本文主要研究内容

2．1 粗粒化

2．2 eDPD控制方程

2．3 时间积分

2．4 应力张量

2．5 系数的确定

2．6 单位无量纲化

2．7 边界条件

2．8 eDPD程序流程图

2．9 本章小结

3 介观尺度不同传热问题的能量守恒耗散粒子动力学模拟

3．1 引言

3．2 一维瞬态导热问题模拟

3．3 二维稳态导热问题模拟

3．4 自然对流问题模拟

3．5 通道中强制对流

3．5．1 圆柱绕流的努塞尔数分布

3．5．2 流体通过方形阵列

3．6 本章小结

4 高分子在微通道中运动的能量守恒耗散粒子动力学模拟

4．1 引言

4．2 牛顿流体与非牛顿流体

4．3 平板间泊肃叶流理论分析

4．3．1 平板间牛顿流体的泊肃叶流理论分析

4．3．2 平板间非牛顿流体的泊肃叶流理论分析

4．4 牛顿流体泊肃叶流动的eDPD模拟

4．5 非牛顿流体泊肃叶流动的eDPD模拟

4．5．1 模型设置

4．5．2 FENE高分子链模型

4．5．3 高分子溶液泊肃叶流动的eDPD模拟

4．6 微通道中高分子链位置分布

4．7 微通道中高分子溶液泊肃叶流应力场分布

4．7．1 通道中剪切应力分布

4．7．2 通道中正应力分布

4．8 微通道中高分子溶液泊肃叶速度场分布

4．9 微通道中高分子溶液泊肃叶流温度分布

4．10 微通道中高分子溶液泊肃叶流质心分布

4．11 本章小结

5 总结

5．1 本文总结

5．2 研究展望

参考文献

攻读硕士学位期间所发表的论文和取得的研究成果

致谢