模拟囊泡形变动力学的新方法离散空间变分法

提出了全新的离散空间变分法研究二维囊泡形变动力学过程，克服了原先解析或数值解囊泡形状方程遇到的困难，结果表明动力学终态与已有理论方法的计算结果完全一致；说明这一方法正确而且解法稳定有效，这一方法可进一步推广至研究三维无对称性的囊泡形状以及膜与膜之间有长程相互作用的情形，这为囊泡形状的研究提供了新的理论手段. 关键词： 离散空间变分法 囊泡 动力学 Helfrich方程     

二维情况下两组分带电囊泡形变耦合相分离的理论模拟研究

结合离散空间变分方法和耗散动力学研究了二维两组分带电囊泡的形变耦合相分离,系统地考察了囊泡带电量组分含量、带电组分的电荷密度、两组分间的相容性和温度等因素对形变耦合相分离动力学的影响.模拟结果表明电荷引入可增加不同组分间的表观相溶性.当温度较高时,静电相互作用可直接抑制囊泡相分离,避免了同种组分的团聚;当温度较低时,静电相互作用则可明显增加分相相区数目,使其呈微观相分离,从而避免了同种组分大范围的团聚.     

流场环境下复杂囊泡的动力学行为

采用非平衡态分子动力学方法研究了二维复杂囊泡在剪切流中的动力学行为. 模拟发现了复杂囊泡经典的翻滚(tumbling)、摇摆(trembling)和坦克履(tank-treading)行为, 还观察到由坦克履行为向平动行为(translating)的转变. 囊泡的平动行为与剪切率大小、复杂囊泡的形状密切相关. 当大囊泡均匀嫁接较多数目的小囊泡后, 其平动方式消失. 该研究有益于加深对囊泡在剪切流场中复杂性行为的理解.     

耗散粒子动力学模拟方法在软物质体系研究中的一些进展与应用

软物质是指处于固体和理想流体之间的复杂态物质,主要包括聚合物、表面活性剂、液晶、胶体悬浮液、以及生物大分子等。软物质能够对外界微小的作用产生强烈的非线性响应,并展现出丰富的有序自组装相态。作为一种新颖的模拟技术,耗散粒子动力学方法非常适合在介观尺度上对软物质体系的复杂行为进行合理的描述。本文对耗散粒子动力学模拟方法的发展及一些应用进行了系统评述。耗散粒子动力学模拟方法体现了分子动力学与格子Boltzmann模型的优点,通过与其它理论模型（如Flory-Huggins理论、Smoothed particle hydrodynamics模型等）相结合,该方法能够在介观尺度上有效地研究聚合物熔体和溶液体系、生物膜及囊泡体系以及胶体悬浮液等体系的行为。这些研究结果,对新材料的研发、特殊材料的制备、以及材料加工条件的选择具有十分重要的科学意义和实际应用价值。     

磷脂在膜结构间的交换:温度和离子强度的影响

磷脂跨膜交换对生物膜功能与药学研究有重要意义.石英电子微天平及耗散系数测量仪被用于研究囊泡与支撑膜间磷脂的交换行为.研究表明:首先,在磷脂跨膜输运过程中,热力学环境和离子强度对支撑膜表面吸附囊泡的形变程度影响较小,囊泡与支撑膜的总接触面积直接取决于囊泡的吸附数量;其次,交换过程中膜结构间最大总接触面积随着温度的升高和离子强度的降低而增大,温度和离子引起的囊泡吸附速率和跨膜交换速率的变化在其中发挥着关键调节作用.本研究有助于加深对磷脂在生理条件下跨膜输运过程的理解,并为基于脂质体的药物载运体系研究提供参考.     

黏性液滴变形过程的核梯度修正光滑粒子动力学模拟

本文提出了一种核梯度改进光滑粒子动力学(KGC-SPH)方法,模拟了黏性液滴形变自由表面问题.首先,通过模拟等温黏性液滴拉伸和旋转变形,验证了KGC-SPH法较SPH法具有较高精度和更好稳定性,且能很好地保持总角动量守恒.其次,基于非等温van der Waals模型对平衡态圆形液滴的形成过程进行数值研究,观察到小幅度振荡现象,并给出了一种新的克服张力不稳定性的方法和一种适合KGC-SPH方法的新的表面张力处理技术.最后,研究了van der Waals液滴的周期性振荡现象,讨论了初始椭圆形液滴长短半轴比 关键词： 光滑粒子动力学 黏性液滴 van der Waals模型 表面张力     

喷孔内流对射流初始扰动影响的大涡模拟研究

本文利用大涡模拟方法对喷孔内流和近喷孔区域的燃油雾化过程进行数值模拟研究。为了能更加准确地模拟喷孔内流,本文根据实际喷油器结构设定了计算域,能够考虑针阀、油囊和喷孔结构对喷孔内流的影响。结果表明:在考虑了具体的喷油器结构参数情况下,采用气液两相流大涡模拟能够获得与实验非常接近的喷束结构;喷孔内流的非轴对称分布是引起射流非轴对称型扰动的原因;这种非轴对称扰动使喷束变为非轴对称结构。结果还显示这种非轴对称扰动具有远大于表面波的振幅和波长。     

微液滴动力学特性的耗散粒子动力学模拟

对传统的耗散粒子动力学方法进行了改进.改进的耗散粒子动力学方法采用了包含远程吸引力和近距排斥力的保守力势函数,从而使得用耗散粒子动力学方法模拟多相流动成为可能.应用改进的耗散粒子动力学方法,对微尺度下液滴的形成及液滴在微重力下的大幅度振荡变形进行了数值模拟.计算结果表明,改进的耗散粒子动力学(DPD)方法能够有效地描述微尺度下液滴的动力学特性,对研究复杂流体多相流动有着重要的意义. 关键词： 多相流 微液滴 耗散粒子动力学(DPD)方法 保守力势函数     

磷脂微滴囊泡化的介观模拟

发展了一种非显示溶剂的粗粒化三粒子磷脂模型,该模型明确反映磷脂分子的双尾结构．模型分别采用变形的MIE作用势和Harmonic作用势描述分子间非成键和分子内成键相互作用,粗粒化力场参数通过拟合DPPC双分子层的结构和力学性质获得．该粗粒化模型成功重现了磷脂分子从随机初始态到双分子层和从盘状结构到囊泡的形成过程．应用该模型系统研究了球形和柱形磷脂微滴囊泡化的过程,结果表明此模型能有效地模拟介观尺度下复杂磷脂囊泡的形成及演化．     

多聚赖氨酸诱导的负电性磷脂巨囊泡形变

利用荧光显微技术表征了多聚赖氨酸诱导的负电性磷脂巨囊泡的动力学响应行为.研究发现,多聚赖氨酸可吸附至二油酰磷脂酰胆碱和二油酰磷脂酸混合磷脂巨囊泡的表面,诱导其发生粘连、出"绳"及破裂现象.分析认为,在低盐环境中,膜形变由多聚赖氨酸吸附于二油酰磷脂酸富集区引起的膜两叶应力不对称,以及静电相互作用等因素产生.研究结果对基于聚合物-巨囊泡体系的药物输运控释、细胞形变、微控反应和基因治疗等方面的研究提供有价值的支持.     

Stokes流动中液滴变形的数值模拟

数值模拟研究Stokes流动中的液滴变形问题。采用边界积分方法计算液滴表面的运动,建立在网格能量最小化基础上的自适应表面离散及网格局部重建方法以准确的分辨出变形液滴的形状,并将数值模拟结果与实验结果进行了比较,模拟结果表明,本方法能够较好的模拟液滴变形的动力学特性。     

界面摩擦过程非连续能量耗散机理研究

结合无磨损界面摩擦微观能量耗散机理的复合振子模型,运用量子理论建立了微观能量耗散的量子力学模型.分析表明：在滑动过程中,当界面原子从一种平衡态跳跃至另一种平衡态时,摩擦功以离散形式耗散为界面原子热振子,且界面吸收能量的能力是离散的;高能态界面较低能态界面吸收能量的能力强,表现为易于吸收界面势能.界面原子吸收和释放能量的离散性在宏观上表现为摩擦功耗散的非连续性,为从微观角度解释无磨损界面摩擦状态周期性变化提供了理论基础. 关键词： 摩擦 非连续能量耗散 复合振子模型     

带凹槽的微通道中液滴运动数值模拟

运用改进的耗散粒子动力学方法模拟了液滴在由凹槽所构成的粗糙表面微通道内的运动行为.改进的耗散粒子动力学方法采用新近提出的一种短程排斥、长程吸引相互作用势能函数,从而可以模拟带有自由面的流体,如液滴等.模拟了新势能函数下液滴与固体壁面的静态接触角,并用2次多项式拟合了"接触角-a_wf/a_f"变化曲线.研究了液滴在带凹槽的微通道中运动时,微通道壁面浸润性、外场力、液滴温度对液滴流动特性的影响.研究表明壁面浸润性和外场力对液滴流动特性的影响较大,液滴温度对液滴流动特性的影响较小.研究结果对运用耗散粒子动力学方法模拟并分析微流体在复杂微通道的流动有一定的参考价值.     

热子动力学模拟方法

提出热子动力学模拟方法,以理想气体中的热质粒子即热子为模拟对象,建立热子间的碰撞模型,统计可获得热子气系统的热力学性质,实现对热质的直接模拟.基于该方法,对氩热子气的平衡态系统和非平衡态系统进行模拟计算,模拟计算的热子气的状态方程同理论表达式一致,准确得到了氩气热导率在微纳尺度下的变化规律,验证了热子动力学模拟方法的可行性.     

耗散子运动方程组的可控截断

为耗散子运动方程组提出精度可控的预截断方案来模拟和研究非微扰的量子耗散动力学．发展了具有类似Caldeira-Leggett主方程形式、在终止阶层采取马尔科夫和高温近似方法的截断方案,根据马尔科夫性质的分析给出确定终止层数的精度判据,并通过电荷转移体系的动力学模拟进行了检验．     

动力学淬火过程中的不动点及衍生拓扑现象

本文对近两年来有关淬火动力学过程中拓扑现象的研究做简要综述.这些动力学拓扑现象被动力学过程中的衍生拓扑不变量保护,与淬火前后体系的拓扑性质有密切关系.基于人工量子模拟平台的高度可控性,已在诸如超冷原子、超导量子比特、核磁共振、线性光学等众多物理体系中,通过对人工拓扑体系动力学过程的调控,观测到如动力学涡旋、动量-时间域的Hopf映射及环绕数、拓扑保护的自旋环结构、动力学量子相变、动量-时间斯格明子等诸多动力学拓扑现象.其中某些拓扑结构还可以在非幺正动力学淬火过程中稳定存在.这些研究将人们对拓扑物相的认识和研究从平衡态推广到非平衡动力学领域,具有重要的科学价值.     

多纳米粒子穿越磷脂膜（英文）

本文采用耗散粒子动力学模拟方法研究了多纳米粒子与溶液中的磷脂膜相互作用.模拟中选择纳米颗粒的形状分别为球状和柱状,并且在动力学过程中给它们设置了不同的初始速度.根据纳米粒子穿膜在动力学过程中体现出不同的特性,分别定义了几种粒子穿越磷脂的模式,并且基于粒子之间的相互作用强度和粒子初始速度,描绘了穿膜模式的详细相图.本文还进一步研究了体系能量、迴旋半径等参数在不同穿越模式中的动力学过程.研究结果有助于人们理解纳米颗粒穿膜在生命活动过程中的作用.     

介观尺度通道内多相流动的耗散粒子动力学模拟

采用四次方光滑函数构造了包含远程吸引近距排斥的保守力势函数, 应用该势函数, 采用耗散粒子动力学方法, 对十字型微通道内的多相流动进行了计算. 计算结果表明, 该势函数能有效模拟十字型微通道内的流动过程及模式. 关键词： 多相流 耗散粒子动力学 保守力势函数     

随机反应扩散格气模型上钙动力学的粗粒化模拟

发展了一种基于随机格气模型的粗粒化方法,该方法能有效模拟内质网表面钙动力学信息. 首先将相邻的微观节点合并成粗粒化节点,再根据局域平均场近似推导出粗粒化反应速率,然后执行粗粒化动力学蒙特卡洛模拟. 发现粗粒化动力学蒙特卡洛模拟结果和微观模拟结果非常吻合. 有趣的是,存在一个最佳的粗粒化比m,使得粗粒化模拟与微观模拟的相变点偏差最小. 固定m,发现临界点随体系尺度增加而单调增加,而且相变点的偏差与体系尺度存在一个标度关系.此外,该粗粒化方法大大地加快了蒙特卡洛模拟速率,并且与微观模拟直接相关. 该方法可以广泛用来研究体系尺度效应,而节省大量计算时间.     

精细平衡气体动理学格式

流体系统在重力作用下，流体压力可与重力相平衡，达到静力平衡状态.常规的有限差分和有限体积方法无法在离散尺度上保持这种平衡态，常常产生虚假速度等非物理现象.通过将重力源项的体积分改写为网格界面值的加权平均，实现离散条件下压力与重力的精细平衡，得到一种Navier-Stokes （NS）方程的精细平衡气体动理学格式.该格式可以在机器精度上精确地保持等温条件下的静力平衡态以及捕捉平衡态附近的小扰动传播.同时，该格式还能求解自然界中更常见的非等温平衡态.此类平衡态除了要求静力平衡还要求热流平衡.利用提出的格式求解NS方程，可以得到静止（机器精度下的零速度）的非等温平衡态，并且密度和温度分布都具有二阶精度.通过多个算例验证格式的有效性，表明该格式可更好地模拟重力场下的温度、密度的分层流动.