耗散粒子动力学处理复杂固体壁面的一种有效方法

耗散粒子动力学(dissipative particle dynamics,DPD)作为一种介观尺度拉格朗日型粒子方法,已经成功地应用于微纳米流动和生化科技的研究中.复杂固体壁面的处理和壁面边界条件的实施一直是DPD方法发展及应用的一个障碍.提出了处理复杂固体壁面的一种新的方法.复杂固体区域通过冻结随机分布并且达到平衡状态的DPD粒子代表;所冻结的DPD粒子位于临近流动区域的一个截距内;在靠近固体壁面的流动区域中设置流动反弹层,当流动DPD粒子进入此流动层后反弹回流动区域.应用这种固体壁面处理方法对简单流动区域的Poiseuille流动和复杂多孔介质内的流动进行了分析.研究表明,这种新的固体壁面处理方法能够有效模拟复杂固体区域,准确实施壁面边界条件.     

微通道疏水表面滑移的耗散粒子动力学研究

了解疏水表面的滑移规律对其在流动减阻方面的应用至关重要.利用耗散粒子动力学(dissipative particle dynamics, DPD)方法研究了微通道疏水表面的滑移现象.采用固定住的粒子并配合修正的向前反弹机制,构建了DPD固体壁面边界模型,利用该边界模型模拟了平板间的Couette流动.研究结果表明,通过调整壁面与流体间排斥作用强度,壁面能实现从无滑移到滑移的转变,壁面与流体间排斥作用越强,即疏水性越强,壁面滑移越明显,并且滑移长度与接触角之间存在近似的二次函数关系.无滑移时壁面附近密度分布均匀,有滑移时壁面附近存在低密度区域,低密度区域阻碍了动量传递,致使壁面产生滑移.     

耗散粒子动力学中施加无滑移边界条件的新方法

在耗散粒子动力学(DPD)中施加无滑移边界条件是较困难的,本文提出了一种新的处理方法来实现无滑移边界条件.通过选取合适的壁面与流体粒子之间的保守力系数可以控制近壁面区的粒子数,从而可以使密度波动降低至极小值,实现无滑移边界条件.通过该方法模拟泊肃叶流动求得的流体性质与通过使用Lees-Edwards边界条件模拟剪切流动所求得的流体性质一致,证明了该方法的可靠性.     

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     

液滴在气固交界面变形移动问题的光滑粒子流体动力学模拟

为准确模拟液滴在气固交界面变形移动问题,对基于连续表面张力模型的表面张力光滑粒子流体动力学方法进行了改进.改进方法采用新的边界处理方式和界面法向修正方法,即将固体边界虚粒子色函数值根据液面的位置进行相应设定以保证气-液-固三相交界处流体粒子的界面法向沿接触线法线方向,引入Brackbill提出的壁面附着力边界条件处理方法,对在气-液-固三相交界处的流体粒子及部分固体边界虚粒子的界面法向进行修正,修正前后保持法向模值不变,得到了含壁面附着力边界条件的表面张力算法.模拟了受壁面附着力影响的水槽中液面的变化过程、液滴润湿壁面过程和剪切气流驱动液滴在固体表面变形脱落过程,并与流体体积函数方法进行了对比.结果表明,该方法在处理壁面附着力问题时精度较高,稳定性较好,适合处理工程中液滴在气固交界面变形移动问题.     

一种改进的光滑粒子流体动力学前处理方法

为了便于对任意边界形状的计算域快速地布置均匀粒子,提出了一种改进的光滑粒子流体动力学前处理方法.该方法是在2012年Colagrossi等提出的算法基础上进行改进后得到的.Colagrossi等提出的算法能够计算一些简单外形分布比较均匀的粒子.然而当光滑长度与初始粒子间距的比值较大时该方法在计算过程中会出现较强的数值震荡问题,收敛速度慢;而且在计算过程中可能会遭遇流体粒子穿透固体壁面的问题.本文通过引入未知因素修正的平滑粒子动力学模型来提高计算稳定性,并通过对边界附近的流体粒子施加边界力来避免流体粒子穿透固体壁面.算例验证结果表明,利用改进后的光滑粒子流体动力学前处理方法能够快速地对各种边界形状的计算域分布均匀粒子,并且避免了流体粒子穿透固体壁面的问题.     

简单剪切流条件下液滴破碎和碰撞模拟

利用耗散粒子动力学(DPD)对简单剪切流条件下液滴的破碎和碰撞分离过程进行了模拟.液滴由多颗简单的DPD粒子构成,液滴与周围流体的不互溶性由提高它们之间的保守力系数获得.通道的上下壁面沿着相反方向运动从而使流体产生简单剪切流动.计算结果表明,在简单剪切流条件下,当界面张力数超过临界界面张力数后,液滴不稳定;液滴将被拉长并破碎成数个较小的稳定的液滴.当两个液滴相互碰撞并分离的现象发生时,两个液滴的质心在速度梯度方向上的距离与整个碰撞过程相关,碰撞之后的δz值比碰撞前的δz大.     

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.     

有结构壁面上液滴运动特征的耗散粒子动力学模拟

本文采用耗散粒子动力学方法, 研究了恒定外力驱动下液滴在有结构壁面上的运动过程. 通过研究液滴在通过壁面结构时前缘接触点和前进角的变化, 分析了液滴的运动特征. 研究结果表明, 在不同润湿性或不同外力驱动下, 存在使液滴运动最快的“最优”壁面结构, 并对其机理进行了讨论. 本文还探讨了壁面润湿性、热涨落以及外力对液滴运动状态的影响. 关键词： 微流体 有结构壁面 润湿性 耗散粒子动力学(DPD)     

一种新型光滑粒子动力学固壁边界施加模型

由于Lagrange粒子法的本质, 固壁边界条件的施加一直是光滑粒子动力学方法的难点之一. 本文从固壁边界的物理原理出发, 应用多层虚粒子表征固壁边界, 提出了一种新型固壁边界施加模型. 将虚粒子看作流体的扩展, 计算中虚粒子密度保持不变, 压力、速度等参数通过对流体粒子的插值获得, 虚粒子有条件的参与控制方程的计算, 对流体的密度/压力产生影响, 通过压力梯度隐式地表征壁面与流体之间的作用强度并对流体粒子施加沿壁面法线方向的斥力作用, 防止流体粒子对壁面的穿透. 数值算例测试结果表明, 与现有固壁边界施加方法相比, 本文方法更加符合流体与固壁边界作用的物理原理, 可以简单、有效地施加固壁边界条件, 方便地应用于具有复杂几何边界的问题, 获得稳定的流场形态、规则的粒子秩序及良好的速度、压力等参量的分布.     

微通道中高分子溶液Poiseuille流的耗散粒子动力学模拟

利用耗散粒子动力学(dissipative particle dynamics, DPD)方法模拟了微通道中高分子溶液的Poiseuille流动.研究表明, 微通道中的高分子溶液呈现非牛顿流体特性, 可以用幂律流体来描述流动行为, 高分子浓度越大, 幂律指数n 越小. 高分子链与壁面的流体动力学相互作用以及布朗扩散率梯度控制着高分子链的横向迁移. 由于传统的DPD方法中壁面诱导的流体动力学作用部分被屏蔽, 高分子链将向壁面方向迁移, 并且随着流场增强, 高分子链向壁面方向迁移越明显. 未被屏蔽的流体动力学相互作用和布朗扩散率梯度相互竞争, 使高分子链在微通道内的质心分布呈双峰状, 通道中心处高分子浓度出现局部最小值. 当通道宽度减小、强受限时, 壁面与高分子链间的流体动力学相互作用可能全部被屏蔽, 而布朗扩散运动弱, 高分子向壁面方向有微弱的迁移. 关键词： 耗散粒子动力学 高分子溶液 非牛顿流体 横向迁移     

致密油藏微纳米喉道中的边界层特征

通过引入吸引力修正耗散粒子动力学（DPD）方法,实现流体和固体的相互吸引作用,模拟纳米喉道中的微尺度流动,探讨边界层的产生机理,结合微圆管实验,定量表征微纳米喉道中边界层的特征,明确微纳米喉道中边界层的影响因素.研究发现：分子尺度,热运动对速度影响很大;超过分子尺度,压差占主导作用.热运动使粒子在原位置振动,不改变粒子的整体移动方向.随着喉道半径的增大,泊肃叶流动的抛物线特征越来越明显.边界层厚度受压力梯度、喉道半径和流体粘度的影响.当压力梯度增大或流体粘度减小时,边界层厚度增大;当喉道半径减小时,边界层厚度先增大后减小.边界层厚度是导致非线性渗流特征的根本原因.随着边界层厚度增大,非线性渗流特征越来越明显.     

光滑粒子流体动力学方法固壁处理的一种新型排斥力模型

与传统网格法相比, 光滑粒子流体动力学方法不能直接施加壁面边界条件, 这就限制了该方法在工程中的应用.为此, 本文基于Galerkin加权余量法并结合传统排斥力方法, 推导出一种新的排斥力公式来施加壁面边界条件.该方法不含未知参数, 能在不减小边界粒子尺寸的情形下有效地防止流体粒子穿透壁面, 同时可避免邻近边界的流体粒子的速度及压力振荡. 分别通过静止液柱算例、液柱坍塌算例、容器中液体静止算例及溃坝算 例来验证本文方法的有效性, 并与传统边界处理方法进行对比, 结果表明: 本文方法克服了传统方法存在的缺陷, 是一种有效的固壁边界处理方法. 关键词： 光滑粒子流体动力学法 固壁边界 排斥力 加权余量法     

介观尺度流体绕流球体的耗散粒子动力学模拟

采用耗散粒子动力学(dissipative particle dynamics, DPD)方法, 对两平行平板间流体绕流三维球体进行了计算. 球体和平行平板由达到平衡状态的冻结DPD粒子组成, 流体在不同无量纲外力驱动下流动, 球体受力由组成球体的所有冻结DPD粒子求和得到. 流动达到充分发展后, 输出球体在流动方向的受力, 并计算球体的阻力系数, 与文献中的关联式进行了对比. 结果表明, 在Re≤qslant 100的范围内, DPD方法能较准确地计算出阻力系数, 在较大雷诺数时, 由于流体的压缩性导致计算结果出现差异.     

液气共存的耗散粒子动力学模拟

传统的耗散粒子动力学方法(DPD)由于采用了纯排斥的守恒力相互作用,从而不能适应液气共存或者带有自由面流体的模拟.这里研究了DPD方法中新近提出的一种短程排斥、长程吸引相互作用,探索了这种改进势能对于DPD方法模拟液气共存的能力.模拟了这种新势能所形成的液气过渡界面,计算了过渡界面区的应力分布,发现应力分布与多体DPD方法所得结果一致.进一步对表面张力进行了研究,验证了这种势能所形成的界面满足Laplace定律,而通过理论公式与Laplace定律分别所得到的表面张力也彼此相符。     

介观尺度流体绕流球体的耗散粒子动力学模拟

采用耗散粒子动力学(dissipative particle dynamics, DPD)方法, 对两平行平板间流体绕流三维球体进行了计算. 球体和平行平板由达到平衡状态的冻结DPD粒子组成, 流体在不同无量纲外力驱动下流动, 球体受力由组成球体的所有冻结DPD粒子求和得到. 流动达到充分发展后, 输出球体在流动方向的受力, 并计算球体的阻力系数, 与文献中的关联式进行了对比. 结果表明, 在Re≤qslant 100的范围内, DPD方法能较准确地计算出阻力系数, 在较大雷诺数时, 由于流     

粗糙纳通道内流体流动与传热的分子动力学模拟研究

为研究粗糙表面对纳尺度流体流动和传热及其流固界面速度滑移与温度阶跃的影响,本文建立了粗糙纳通道内流体流动和传热耦合过程的分子动力学模型,模拟研究了粗糙通道内流体的微观结构、速度和温度分布、速度滑移和温度阶跃并与光滑通道进行了比较,并分析了固液相互作用强度和壁面刚度对界面处速度滑移和温度阶跃的影响规律. 研究结果表明,在外力作用下,纳通道主流区域的速度分布呈抛物线分布,由于流体流动导致的黏性耗散使得纳通道内的温度分布呈四次方分布. 并且,在固体壁面处存在速度滑移与温度阶跃. 表面粗糙度的存在使得流体剪切流动产生了额外的黏性耗散,使得粗糙纳通道内的流体速度水平小于光滑通道,温度水平高于光滑通道,并且粗糙表面的速度滑移与温度阶跃均小于光滑通道. 另外,固液相互作用强度的增大和壁面刚度的减小均可导致界面处速度滑移和温度阶跃程度降低. 关键词： 速度滑移 温度阶跃 流固界面 粗糙度     

带自由面流体的多体耗散粒子动力学模拟

利用多体耗散粒子动力学(MDPD)方法对介观尺度下液滴动力学进行了模拟分析,探讨了MDPD系统中液气共存界面的形成,并对表面张力进行了模拟研究,研究结果表明,MDPD方法形成的液气共存界面满足Laplace定律,通过改变不同的粒子间保守力作用参数,获得了液滴在固体壁面上不同的接触角,并研究了保守力作用参数与接触角之间的变化规律,进一步模拟了液滴在复杂微通道内的流动,研究结果有助于解释带自由面流体在粗糙表面上的运动行为。     

SPH方法进出口数值边界条件研究

基于虚粒子概念,提出进出口数值边界条件处理方法.在进口边界外设置进口区域,并赋予进口虚粒子相应的物理量;出口边界外设置出口和缓冲区域,出口虚粒子的物理量由计算获得,缓冲区的虚粒子初始物理量是指定的;根据每个时间步的流动情况,改变粒子的区域属性,添加/删除相应的粒子.利用拉格朗日形式的SPH方法,通过管内流动问题验证数值进出口边界方法的适用性,研究进出口边界条件在激波管、绕流问题中的应用.提出的进出口边界处理方法,避免了边界附近流体粒子积分截断问题,保证流体粒子能够流出边界,激波能够透射边界.     

振荡流共轭换热格子-Boltzmann模拟

振荡流共轭换热现象广泛存在于热声热机等工程应用中.基于双分布格子-Boltzmann模型,对平行平板间振荡流共轭换热进行了数值模拟.通过假定共轭界面处流体和固体的未知内能分布函数均为对应的平衡态滑移修正格式,提出了一种处理共轭换热边界的新方法.模拟结果表明,该方法可以保证共轭界面上温度连续和热流连续.分析了不同流体与固体导热系数比情况下振荡流共轭换热的速度场、温度场以及热流分布的特点.