磁流变液相分离的蒙特卡罗模拟

摘要

作为一种对外加磁场比较敏感的新型智能材料，磁流变悬浮液具备了性能可控的优良特性。它是在非磁性基液中加入一些磁性颗粒，同时为了提高某种性能又加入了不同种类的添加剂，这样便制备出了磁流变悬浮液。它在无外加磁场作用时体现为牛顿流体的状态，如果对它施加外加磁场，那么它可以以很高的速度把自身流体状态转化为类似固体的状态。并且在施加磁场的过程中还具备一种能力，这种能力就是抗剪切屈服，这种变化可以根据磁感应强度的改变而相互转变、这个过程也很容易控制和调节并且工作温度的范围也比较大。磁流变悬浮液目前的应用前景十分广泛。
　　本论文主要进行磁流变效应的理论研究，根据Monte Carlo模拟法来实现磁流变悬浮液的相分离的模拟。
　　(1)首先介绍磁流变悬浮液材料的组成结构、物理机理、制备方法等内容。要研究磁流变悬浮液相分离，首先要把这种材料的各方面都进行深入透彻的了解后，才能对它的相分离进行准确地把握。
　　(2)本课题拟以平板型器壁模型，计算在NPT系宗（即正则系综）和NVT系宗条件下的均匀颗粒在平板间竖直方向磁感应强度和旋转磁感应强度下磁偶极子相互作用能的大小。所以本课题将建立偶极子相互作用模型，运用Ewald求和方法，推导计算磁偶极子与磁偶极子间的相互作用的能量。
　　(3)对磁流变悬浮液中磁偶极子相互作用能通过Fortran语言编写程序，在FortranPowr Station4.0软件中进行蒙特卡罗模拟，得到能量较低的极值状态，作为系统的一个平衡态，分析平衡态下磁性颗粒的聚集情况，研究磁性颗粒相分离的物理机理。
　　(4)在NVT正则系综的情况下，磁流变液在受到的轴向磁场足够强时，磁性颗粒会形成紧密的链状结构，当轴向磁场更大时，磁性颗粒形成柱状结构，平均每个颗粒能量最低;当其受到旋转磁场作用后，磁性颗粒会形成层状结构。在这种情况下，颗粒的体积分数对其相分离影响较大，体积分数越大，颗粒聚集越紧密，平均每个颗粒的能量越低。
　　(5)在NPT系综的情况下，同样的，磁流变液在受到的轴向磁场足够强时，磁性颗粒会形成紧密的链状结构，当轴向磁场更大时，磁性颗粒形成柱状结构，平均每个颗粒的能量最低;当其受到旋转磁场作用后，磁性颗粒会形成层状结构。对相分离的影响因素包括:体积分数、磁场强度、压强等，但是在这种情况下，压强的影响与磁场强度对其的影响同样重要，当压强越大时，颗粒聚集越紧密，平均每个颗粒的能量越低。

目录

摘要

1 绪论

1．1 课题研究的目的和意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 国外研究现状

1．2．2 国内研究现状

1．3 目前国内外磁流变技术存在的问题

2 磁流变悬浮液

2．1 磁流变悬浮液以及磁流变效应

2．2 磁流变悬浮液的组成

2．2．1 铁质磁性颗粒

2．2．2 基液

2．2．3 添加剂

2．3 磁流变悬浮液的制备方法

2．3．1 传统法

2．3．2 新发展的制备方法

2．4 磁流变悬浮液性能研究

2．4．1 磁流变悬浮液固化机理

2．5 影响磁流变悬浮液性能的不同因素

2．5．1 沉降稳定性对磁流变悬浮液性能的影响

2．5．2 磁特性对磁流变悬浮液性能的影响

2．5．3 屈服应力对磁流变悬浮液性能的影响

3 磁性颗粒能量的计算

3．1 两个磁偶极子之间的相互作用力

3．1．1 磁力的大小

3．2 运用Ewald求和法推导偶极-偶极间相互作用能

3．2．1 磁偶极子在二维环境中的相互作用能

3．2．2 磁偶极子在三维环境中的相互作用能

4 利用Fortran编程进行蒙特卡罗模拟

4．1 Fortran语言的简介

4．2 蒙特卡罗模拟方法简介

4．2．1 蒙特卡罗(Monte Carlo)模拟的工作过程

4．3 利用Fortran Power Station 4．0进行仿真

4．3．1 结构模型

4．4 数值精度

5 NVT正则系综下的磁流变液相分离模拟

5．1 旋转磁场作用下磁流变液相分离的模拟

5．2 轴向磁场作用下磁流变液相分离的模拟

5．2．1 颗粒体积分数对磺流变悬浮液相分离影响

5．2．2 磁场强度对磁流变悬浮液相分离的影响

6 NPT系综下的磁流变液相分离模拟

6．1 旋转磁场作用下磁流变液的相分离模拟

6．2 轴向磁场作用下磁流变悬浮液的相分离模拟

6．2．1 颗粒密度对磁流变悬浮液相分离的影响

6．2．2 压强对磁流变悬浮液相分离的影响

7 结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文

致谢

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