基于耗散粒子动力学方法的聚合物流体流动过程数值模拟

摘要

聚合物流体在宏观尺度上观测到的物理现象,是由流体的微观结构决定的,而有些流体特征依赖于高分子的聚集态结构而不是最细微的分子结构,这就要求采用的研究方法能达到介观尺度。虽然元胞自动机和格子-波尔兹曼方法都属于介观尺度的数值模拟技术,但是它们比较难于处理复杂流体;分子动力学由于所需计算量太大而难以实现。耗散粒子动力学(DPD)是一种新兴的介观尺度数值模拟技术。在DPD系统中,其基本的单元是一些被称为粒子的动量载体,这些粒子代表的是大量分子的集合体。DPD方法的优越性在于能够容易地模拟流体系统,提供流体的分子取向、速度等微观信息。本文利用耗散粒子动力学这种方法对流体的动力学行为进行研究讨论,研究内容主要包括:
　　1.系统讨论了DPD方法的基本理论。包括其基本思想、详细算法以及各种参数的选取等。
　　2.应用本文方法模拟了简单流体泊肃叶流动和方形通道内流体的三维充分发展流动,并与理论分析解、经典文献结果、Fluent软件的模拟结果进行对比,验证了算法的正确性。
　　3.对聚合物流体进行基于DPD方法的模拟,在介观尺度上计算了聚合物流体流变性能参数;结合经典流体力学方程和DPD理论方法介绍了聚合物流体的模拟过程的宏观-微观耦合分析方法。本研究工作采用了耗散粒子动力学模拟了流体流动行为,有利于更加深刻地了解流体的流变形能。

目录

摘要

ABSTRACT

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第一章 绪论

1.1 计算机模拟技术

1.2 数值模拟在聚合物材料加工方面应用

1.3 数值模拟方法的比较及选题意义

1.3.1 传统方法

1.3.2 蒙特卡罗方法

1.3.3 分子动力学方法

1.3.4 格子-波尔兹曼方法

1.3.5 选题意义

1.4 耗散粒子动力学国内外研究现状

1.5 课题主要内容

1.6 本文结构

第二章 耗散粒子动力学理论基础

2.1 DPD基本理论

2.1.1 标准DPD方法

2.1.2 改进 DPD方法

2.2 模拟基本原理

2.2.1 无量纲方法

2.2.2 聚合物FENE型结构

2.2.3 粒子初始位置

2.2.4 粒子初始速度

2.2.5 边界条件及处理方法

2.2.6 粒子相互作用计算方法

2.3 DPD模拟过程

2.3.1 给定初始条件

2.3.2 重要参数选择

2.3.3 系统的运行

2.3.4 宏观物理量的计算

2.3.5 模拟程序

2.4 本章小结

第三章 简单流体流动模拟

3.1 泊肃叶(Poiseuille)流模拟

3.1.1 泊肃叶(Poiseuille)流

3.1.2 模拟方案

3.1.3 数据处理

3.1.4 结果讨论

3.2 方形通道内流动的模拟

3.2.1 模拟方案

3.2.2 结果讨论

3.3 本章小结

第四章 聚合物流体流动模拟

4.1 剪切流动模拟

4.1.1 模拟方案

4.1.2 模拟结果及数据处理

4.2 FENE链构象变化

4.3 聚合物流变性能

4.3.1 聚合物的粘性

4.3.2 聚合物的弹性

4.4 宏观-微观尺度的耦合

4.4.1 流体力学基本方程

4.4.2 宏观-微观耦合分析

4.4.3 耦合结果讨论

4.5 本章小结

第五章 总结与展望

参考文献

致谢