自驱动Janus微球近壁运动特性实验与数值模拟研究

自驱动Janus微球是形状规则但表面构成不同的特殊活性颗粒. 针对微米级Pt-SiO₂型Janus 微球近壁面自驱动现象, 实验测得了微球的自驱动速度V_Janus, 并观察到微球运动过程中与垂直方向存在一偏转仰角ψ, 且ψ角随H₂O₂溶液浓度的增大呈减小趋势. 在此基础上, 建立自驱动Janus微球的数值模型, 通过模拟得到了微球在不同浓度H₂O₂溶液中的偏转仰角ψ及距底面的高度δ, 模拟与实验一致. 利用这些数据进一步讨论了壁面效应对微球旋转特征时间τ_R的影响. 这一工作对于理解Janus 微球的运动机理及发展相关应用具有重要意义.     

活性Janus粒子体系中的定向运动涌现行为

本文使用过阻尼郎之万方程动力学模拟方法模拟了二维体系中活性Janus粒子的群体动力学行为. 体系随着粒子密度的增加，存在一个活性粒子的定向运动涌现行为. 此现象在无各向异性相互作用或者无活性驱动的体系中无法观察到. 另外涌现行为发生的临界转变密度会随着活性大小和各向异性相互作用强度的增大而减小，且通过调节活性大小和各向异性相互作用强度大小可以控制体系不同状态的转变. 最后借助动力学理论分析，重复出了模拟结果的基本特征. 结果论证了单个粒子层次上的各向异性相互作用足以导致活性体系进入稳定的群体定向运动.     

圆锥边界附近激光空泡溃灭行为的研究

为了研究刚性圆锥边界锥角对激光空泡溃灭行为的影响,文章建立了虚拟平面边界模型, 同时采用阴影摄影术、光偏转法以及数值计算的手段对边界附近空泡溃灭过程进行了研究. 结果表明边界的锥角对空泡的形状、溃灭时间以及液体射流形成均有明显影响. 空泡形状偏离球形的程度和溃灭时间均随锥角的增大而增大,且增大锥角度可以促使射流的形成. 空泡溃灭时间的实验值同理论值具有较高的一致性,验证了虚拟平面边界假设及无量纲距离修正的有效性.     

格子玻尔兹曼方法模拟弯流道中粒子的惯性迁移行为

本文发展了一个能够模拟微流场环境下粒子惯性迁移行为的三维耦合模型.该模型采用基于动理论的格子玻尔兹曼方法(LBM)描述流体流动,采用牛顿动力学模型描述粒子的平动和转动,采用基于LBM反弹格式的运动边界法实现流体与粒子模型的耦合.模拟了重力作用下粒子的沉降过程和Couette流条件下粒子的转动过程,通过将模拟结果与文献中的基准解进行对比定量验证了模型的可靠性.模拟了不同大小的球形粒子在环形流道中的迁移,成功复现了经典的流道截面二次流形成过程,分析了粒径大小对粒子在流道中平衡位置的影响机理.结果表明,粒子在弯流道中的平衡位置与粒径大小密切相关,小半径粒子的平衡位置靠近流道外侧而大半径粒子则靠近流道内侧.通过实验对模拟结果进行了定性验证.本模型为深入研究微流场环境下粒子的运动特性以及开发微流控粒子分选器件提供了参考依据.     

干凝胶粒子物性对空心玻璃微球炉内成球过程的影响

为实现干凝胶法制备惯性约束聚变靶用空心玻璃微球(HGM)炉内成球工艺过程的有效控制,从数值模拟和工艺实验两个方面研究了干凝胶粒子直径、比热容、发泡剂质量分数和辐射吸收系数对干凝胶粒子炉内成球过程及最终HGM性能参数的影响。结果表明,随着干凝胶粒子直径和/或比热容的增大,干凝胶粒子在吸热封装阶段的升温速率显著降低,在炉内成球过程各工艺阶段的停留时间快速下降,尤其是在精炼阶段的停留时间急剧缩短。降低干凝胶粒子的比热容和/或提高干凝胶粒子的发泡剂质量分数,HGM的直径和壁厚均匀性增大,高质量空心球的比例也相应提高。干凝胶粒子的辐射吸收系数变化对炉内成球过程几乎没有影响。     

液滴碰撞Janus颗粒球表面的行为特征

为研究液滴碰撞Janus颗粒(双亲性)球表面的独特行为特征,以粒径为5.0 mm铜球为材料制备了Janus颗粒,用直径为2.0 mm的液滴,在韦伯数(We)为2.7,10,20,30的测试情况下对Janus颗粒球表面进行了碰撞实验.结果表明:液滴碰撞Janus颗粒球表面后的运动可分为铺展、回缩、振荡和回弹4个过程.在不同We下,液滴碰撞Janus颗粒后的运动状态主要与表面润湿性相关,在Janus颗粒亲水侧表现为铺展特性且铺展系数γ随着时间t的增大而逐渐增大并趋于稳定;但在疏水侧,表现为回弹现象,铺展系数γ会出现类似"抛物线"形状;当液滴碰撞Janus颗粒球表面亲-疏水分界线时,液滴铺展和回弹同时发生.基于能量平衡和受力分析发现,液滴动能和表面能的互相转化是液滴铺展的关键,液滴会在重力、惯性力、表面张力、黏性力、接触力等力的综合作用下展现其独特的行为特征并最终达到平衡状态.     

用于偏振云粒子探测系统的典型非球形粒子散射特性模拟

为进一步了解云物理过程,探测冰云及混合相云云粒子特性,提出了一种带有偏振通道的云粒子探测器模型,可以同时探测前向散射和后向散射一定立体角内的散射能量和退偏比。模拟了椭球,圆柱和球形粒子的相函数,不同角度的退偏比,总散射截面,发现球形粒子几乎不产生退偏,其退偏与椭球、圆柱粒子退偏有数个量级的差距,探测时可以直接以退偏分辨球形粒子。计算了在探测器前后两个接收立体角内非球形粒子的散射截面和退偏比均值,粒子退偏比和散射截面随粒子的横纵比变化比较连续,一定条件下可以分辨部分粒子的形状。粒子退偏比随粒子的等效半径变化波动,不利于探测时分辨粒子大小。在模拟的粒径范围内,粒子等效半径和散射截面大致成正相关,探测时可以以此分辨粒子大小。粒子散射模拟结果表明,该探测系统除可以进行球形粒子探测能力外,具有一定的非球形粒子探测能力。     

非球形包膜微泡近场局部高压研究

基于流体力学,导出了超声驱动下的非球形包膜微泡的外部流体压强的解析表达式.数值模拟表明,虽然包膜微泡的非球形状对远场流体压强没有明显影响,但会造成近场局部位置有极大的流体压强,其明显高于同等条件下的球形包膜微泡周围相应位置上的流体压强.这一现象对包膜微泡的实际应用,如强超声治疗、靶向给药和细胞微穿孔等有着重要的意义.随着驱动频率向包膜微泡本征频率的靠近或微泡偏离球形程度的增大,所产生的近场局部高压也越大.     

不同形状的非球形粒子对偏振传输特性的影响

针对自然界的非球形粒子问题,对典型非球形粒子的偏振传输特性进行研究,采用T矩阵算法研究椭球、圆柱和切比雪夫粒子的偏振传输特性,及其与球形粒子偏振传输特性的差异。研究结果表明:对于横纵轴之比中等的椭球粒子,当散射角小于60°时,不同形状椭球粒子的偏振度(DOP)差异较小,可用Mie散射方法进行粒子偏振特性的近似计算;当散射角大于60°时,DOP随横纵轴之比的变化较大,且球形与椭球粒子的DOP差异随着横纵轴之比的增加而增大;对于直径与高度之比中等的圆柱体粒子,DOP的变化相比于椭球粒子更加平稳,但后向散射与侧向散射区域仍不能采用Mie散射进行近似计算;形状比例极端的椭球粒子和圆柱体粒子的偏振曲线均类似于钟形,且在散射角约为90°时DOP达到最大值;切比雪夫粒子的形变参数和级次都对粒子前向散射偏振特性的影响较小,但对后向散射偏振特性的影响较大,且灵敏度随级次的增加而减小。本研究结果可为非球形粒子偏振传输特性的研究及球形粒子近似提供理论指导。     

在单粒子尺度下用胶体研究相变

悬浮于溶液中的微米胶体粒子可以自组装成多种结构,与原子一样具有丰富的相行为,通过调节粒子的大小、形状、相互作用或密度可以驱动相变。由于胶体粒子可以在光学显微镜下直接成像并测量其热运动轨迹,因此是研究相变微观过程的一种有力的模型系统。近十几年来,作用力可调粒子、非球形粒子和活性粒子的制备有了突破性进展,并在自组装技术和相应的计算机模拟中有很大进步,因此为相变研究开辟了许多可能性。文章总结了利用胶体研究相变过程的最新进展,重点关注结晶、熔化和固—固相变,并简述胶体相变研究中存在的挑战和未来前景。     

高斯波束对界面附近离轴球形粒子的轴向声辐射力

从声波的散射理论出发，利用级数展开法得到高斯波束的波束因子，推导其对阻抗边界下离轴球形粒子声辐射力.针对刚性球与液体球两种球形粒子进行数值模拟，与自由空间的情况进行比较.讨论边界反射系数、粒子与边界距离、束腰半径以及离轴角度与距离等对声辐射力的影响.仿真结果表明：边界反射系数的增大会引起声辐射力的增加，但不改变峰值的位置；在合适的频率处，可以产生负向声辐射力；声辐射力随粒子与边界距离呈周期性变化；束腰半径的影响主要体现在中高频；随着粒子偏离传播轴的距离和角度增大，声辐射力明显衰减.该研究为利用高斯波束实现对粒子的操纵提供理论基础.     

柔性棘轮在活性粒子浴内的自发定向转动

活性物质在自然界中广泛存在.利用二维布朗动力学模拟方法,设计了一种柔性边界棘轮,并研究了其在活性粒子浴内的动力学行为.发现棘轮在活性粒子浴内能够发生定向转动,这是因为活性粒子在柔性边界周围的不均匀分布导致压力的不均匀分布,进而对棘轮产生扭矩.进一步研究了影响转动速率的因素,发现平均转动角速度随活性粒子驱动力、活性粒子密度的增大而增大,随粒子旋转扩散系数、支架数的增大而降低.研究结果对于设计新的实验系统来研究此类非平衡物理现象具有一定的指导意义.     

不同粒径Janus微球的自驱动:实验及驱动机制对比

Janus颗粒是两侧具有不同性质的非均质颗粒的统称.利用Pt-SiO2型Janus微球的Pt一侧催化分解H_2O_2溶液,可以使得颗粒自驱运动.本文首先从实验角度对比了不同粒径、相同浓度下的两类自驱动现象,结果表明在d～O(1μm)时为扩散泳驱动,d～O(10μm)为气泡驱动,二者在运动轨迹、驱动速度上存在很大差异.随后,分析了主导的力学因素,并根据简化后的受力平衡关系建立了多场耦合的数值模型,重点研究了大粒径下浓度及速度场的分布,据此解释了气泡产生的位置及尺寸,并推断壁面滑移系数是数值模型中的关键匹配参数,及其在不同粒径下变化的可能机理.这一研究将为深入理解自驱动的机理及提高自驱动器件的驱动能力提供理论基础.     

基于格子Boltzmann方法的自驱动Janus颗粒扩散泳力

Janus颗粒的自驱动力研究对于纳微米尺度驱动力课题具有重要意义,本文针对Pt-SiO_2型Janus颗粒,基于格子Boltzmann模型及动量交换法提出了计算其扩散泳力的方法,通过与实验数据对比修正验证了模型准确性,并通过分析证明了此类Janus颗粒的扩散泳力与速度场无关,进一步模拟比较了不同形状颗粒的自驱运动.分析发现,对于体积相等形状不同的Janus颗粒,扩散泳力主要由轴线投影面积决定,此外反应面积也会对扩散泳力产生影响.     

自驱动杆状粒子在半柔性弹性环中的集体行为

在生物体系的活性系统中,杆状粒子在弹性半柔性边界中的受限行为极为常见.本文研究了二维情况下,自驱动杆状粒子受限在半柔性弹性环中的集体行为.改变系统的粒子数及噪声强度,系统显示明显的自驱吸附有序态、无序态及中间的过渡态.通过表征弹性环内部粒子的径向极性大小和空间分布的非球度性对这些状态进行了刻画.进一步对弹性环中心附近粒子密度的分析,发现环中心气态粒子分布存在一个与边界高密度区域共存的饱和平台,出现类似吸附转变的粒子分布.在过渡区间,体系内存在较大的涨落会导致弹性环出现异常形变.非对称的粒子分布对弹性环整体的迁移具有重要贡献,系统在过渡区间能获得相对较强的定向迁移.     

激光熔覆中金属粉末粒子与激光相互作用模型

为了对同轴激光熔覆过程中运动的金属粉末粒子的速度和温度进行理论分析,并研究各工艺参量的影响,建立了运动中金属粉末粒子的运动模型和热模型.模拟结果表明,粉嘴几何尺寸、粒子直径以及气/粉两相流初始速度是影响粒子运动行为的重要因素;粉嘴几何尺寸、激光焦点位置、激光发散角、激光功率、粒子直径以及气/粉两相流初始速度是影响粒子热行为的重要因素.在相同的工艺参量下(粉嘴出口内径r=2 mm,粉嘴倾角α=60°,初始气流速度v0=0.8 m/s),基于数字粒子图像测速(DPIV)技术,对316L不锈钢粉末粒子运动模型进行了实验验证.结果表明,运动理论模型是可靠的.该模型是掌握同轴激光熔覆过程中金属粉末粒子运动行为的有效工具;同时,热模型也是分析粉末粒子温度随不同参量变化的重要工具.     

高雷诺数下的圆柱绕流问题——以蜡烛燃烧为例

本文针对高雷诺数下的圆柱绕流问题,以火焰熄灭为例进行了相关的实验研究.结果表明在一定范围内,火焰熄灭时间与障碍物直径、蜡烛与障碍物之间的距离、蜡烛燃烧速率成正比关系,与气流流速成反比关系.通过分析发现实验数据与理论分析一致,说明了文章的实验方法可行、结论正确,为深入研究圆柱绕流、火焰燃烧问题及二者之间的联系提供了重要支撑.     

球形及柱形磁化等离子体靶中α粒子能量沉积率分析

基于单粒子理论模型及积分算法,编写了单粒子轨道数值模拟程序———ALFA,分析了柱形和球形两种边界位形磁化等离子体靶中非热α粒子通过库仑碰撞对D-T等离子体加热的能量沉积率。在均匀背景磁场及相同的D-T等离子体密度、温度条件下,柱形边界中非热α粒子能量沉积率比球形边界更高。在相同等离子体温度及密度条件下,α粒子的能量沉积率随磁场的增大而增大,但计算结果表明,磁场的有效作用区域存在明显的上下限值,当等离子体内磁场小于下限阈值时,磁场增加对α粒子能量沉积率的提高贡献不大,而且当等离子体内磁场超过上限阈值后,磁场再增加对提高α粒子能量沉积率的作用也不明显。对不同几何尺寸的磁化等离子体靶,磁场有效作用区域的上下限值不同,靶尺寸越大,相应的上下限阈值越小。提高等离子体密度,可增加α粒子能量沉积率,也能降低磁场有效作用区域的上下限阈值。     

基于等离子太阳电池的能量转化机理研究

本文基于金属纳米粒子等离子体增强太阳电池,综合模拟分析了光吸收后的金属纳米粒子热效应和电池基体电效应,通过改变纳米粒子的尺寸、材料和形状,调控其光热过程和光电过程的能量转化。研究结果表明,Ag能更好的增强光电过程,Au能更好的增强光热过程;球形Ag粒子直径越大,光热过程和光电过程均增强;球形Au粒子直径越大,其光热过程增强而光电过程却减弱;圆柱形光电过程均减弱,且直径越大,光热过程增强。     

搅拌器内部流动的无网格法三维数值模拟

本文将移动粒子半隐式法(MPS)的基本算法由二维扩展至三维。将圆柱坐标系引入到初场粒子的布置中,避免了在笛卡儿坐标系下处理不规则形状(如斜边或曲边)问题时粒子初场布置困难和精确度较低的问题,改善了对计算边界条件表达的精确性。引入移动边界模型,对直叶片搅拌器的内部流动进行了三维数值模拟。还提出了一种新的初始粒子布置简易方法,明显简化粒子初始布置时的复杂程度,提高了对三维复杂几何形状问题的可操作性。