微尺度粘性流体流动及液滴碰撞的耗散粒子动力学研究

摘要

液滴动力学是多相流体系统研究的一个重要方面。许多与工业、生物有关的系统，如乳浊液、聚合物共混物以及生物流体等都可以被认为是液滴的悬浮物。液滴之间的相互作用包括碰撞、聚合或者分离等过程，同时涉及到液滴的变形和破碎。 复杂流体系统在宏观尺度上观测到的物理现象，从根本上讲，是由复杂流体本身的特征微观结构所决定；而这些微观结构可以是高分子聚合物或者不互溶性混合物，而不必为最细节的分子结构。这要求所采用的研究技术能涉及介观尺度，而分子动力学由于目前所需计算量太大而不可行。虽然元胞自动机和格子-波尔兹曼方法等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。 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体行为。DPD方法的优越性在于能够容易地模拟复杂流体系统,处理方法并不比单组分流体更复杂；而没有格子使得它可以更加灵活的模拟复杂边界；还可以获得更多有关流体的信息。 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) 首先对DPD方法的实施过程进行了系统的讨论。包括其基本思想、详细算法以及各种参数的选取等等。 2) 应用DPD方法对简单流体泊肃叶流动进行了模拟。其中通道上下壁面分别由三层粒子构成。采用简单的DPD粒子来模拟简单流体。在X和Y方向实施周期性边界条件。对每一颗流体粒子施加重力，从而驱动流体产生流动。研究表明，简单的DPD流体呈现出牛顿流体的特性。将计算结果与理论分析解、已有研究成果进行对比，验证了程序的正确性；进一步，我们对方形通道内流体的三维充分发展流动进行了模拟，与CFD得到的数值解完全吻合。 3) 采用提高流体之间排斥力系数的方法，得到不互溶性两相流系统，并研究了液滴在剪切流驱动下的碰撞表现。对影响液滴变形的重要参数Ca数和粘度比进行了分析。通过改变相关参数获得一组Ca数，从而得到不同Ca数下液滴之间的碰撞表现；另外也分析了DPD模型中的重要参数—排斥力系数的选择对液滴碰撞特性的影响。 本研究工作采用了模拟复杂流体的先进技术耗散粒子动力学，在微尺度上模拟了包括复杂流体在内的流体流动行为，分析液滴的动力学特性，有利于更加深刻地了解复杂流体的流动机理。