耗散粒子动力学模拟方法的发展和应用

耗散粒子动力学(dissipative particle dynamics,DPD)模拟方法是一门新兴的介观尺度数值模拟技术,是研究复杂物系介观结构的一种重要手段,也是联系宏观尺度和微观尺度的重要模拟方法之一.首先介绍DPD模拟方法的提出和它的发展过程;接着从DPD的理论模型、数值积分方法、参数的选择以及模拟系统与真实系统之间的映射关系4个方面介绍DPD的方法体系;然后介绍DPD模拟方法在复杂流体中的应用情况,具体包括多相流的聚集、微相分离和液滴的变形、破碎以及微通道内的流动等;最后, 对此领域的发展方向进行了预测分析.      

基于分子动力学与耗散粒子动力学串行耦合的面心立方金属粗粒化模型

通过全原子分子动力学(MD)与等温耗散粒子动力学(DPD)的串行耦合,提出了面心立方金属粗粒化模型的建立方法。该方法将一定数量的原子粗粒化为单个介观 DPD 粒子,假设 DPD 粒子间作用势的表达式为Sutton-Chen势函数形式,利用遗传算法,以 MD和DPD计算的单晶金属常温(298 K)等温线相一致为目标,确定了DPD粒子间作用势函数的参数。对单晶铜纳米棒的轴向拉伸开展 MD 和 DPD 对比模拟,发现在纳米棒弹性响应阶段,两者计算结果吻合较好,而屈服应力和屈服应变存在一定差距。建议在优化 DPD势函数参数时,引入更多的材料力学响应信息,进一步提高介观DPD模型的准确性。     

微流道内椭圆粒子黏弹性聚焦数值模拟研究

黏弹性聚焦技术借助微尺度黏弹性流体的惯性和弹性耦合效应,能够实现生物粒子在流道中心的单一位置聚焦排列,被认为是未来生物粒子计数以及检测的理想预处理单元,因而引起了广泛的关注．自然界中的生物粒子往往是非球形的,故而研究不同形状粒子在黏弹性流体中的迁移特性具有十分重要的价值．本文通过格子玻尔兹曼方法耦合浸入边界法,对椭球粒子在直流道内黏弹性流体中的聚焦行为进行了系统的数值模拟研究．结果表明,面积相同但长径比不同的椭圆粒子在黏弹性流体中有不同的旋转周期与迁移速度．长径比更大的粒子旋转周期更长,且长径比大于3.5 的粒子甚至不再有明显的旋转．长径比更大的粒子上下两侧的黏弹性力分布更加平缓,受到指向流道中心的弹性力更小,使得粒子横向迁移速度更慢从而导致了长径比不同的椭圆粒子聚焦至流道中心所需时间的差异．此外,Weissenberg 数Wi 的增加同样能够减弱粒子的旋转,使得长径比稍小的粒子也能和长径比为1.0 的圆形粒子产生明显的分离．上述数值模拟的结论,为不同长径比粒子在黏弹性流体中的聚焦与分选应用提供了重要的理论指导．     

三维溃坝流的光滑粒子动力学方法模拟

采用光滑粒子动力学SPH(Smoothed Particle Hydrodynamics)方法对三维溃坝流问题进行了数值模拟。为了逼真地模拟出坝内水体与壁面间相互作用而产生的水花飞溅、融合以及近壁面流动等现象,加入了混合长度形式的湍流模型。为了有效地防止粒子穿透固壁,提出了一种新型的适合三维数值模拟的固壁边界处理方法。应用SPH方法对三维溃坝流进行了数值模拟,并分别考虑了未添加障碍物和添加圆柱障碍物两种情形。计算结果表明,改进SPH方法能够精细地捕捉溃坝流在不同时刻的自由液面,并获得稳定而精确的数值结果。     

基于光滑粒子动力学的煤岩刨刀刨削过程数值模拟

为研究刨削参数对刨刀载荷特性的影响规律,对刨刀破煤过程进行仿真,为得到更可靠的仿真数据,采用光滑粒子动力学(SPH)与有限元进行耦合(FEM)对刨刀破煤过程进行模拟,并将仿真结果与传统有限元算法进行比较证明此算法的优越性。通过模拟不同刨削参数下的刨刀的破煤过程,得到刨刀载荷数据。研究结果表明：随着刨削速度的增加,刨刀在刨削过程中的整体受载变化不大,但刨刀所受载荷峰值和波动范围随着随刨削速度的增加而增大;随着刨削深度的增加,刨刀在刨削过程中的整体受载有着明显的变化,具体表现为：刨刀所受载荷峰值和均值随着随刨削深度的增加而增大,但刨削深度对刨刀载荷波动范围影响不明显。     

生物芯片压电微流体泵液-固耦合系统模态分析

对压电微流体泵粘性流体周期流动进行厚度积分平均近似,得到包含粘性的,非线性浅水波动方程,并采用有限元法得到微泵液体压强矩阵方程.液体压强矩阵方程和压电硅片振动有限元方程耦合,得到一个包含微泵进出口扩散管的液-固耦合系统振动方程.液-固耦合系统的模态分析结果表明,微泵液-固耦合系统的自然频率比不耦合的硅片振动自然频率低很多.随着微泵厚度的减少,液体附加质量和粘性阻尼对耦合系统自然频率的影响更加明显.同时发现,对应的压电片振型函数在液-固耦合前后没有明显变化.还给出硅片一阶模态的振幅-频率特征曲线.对薄型无阀压电微流体泵,浅水波模型合理地表达了微泵液体流动和压电硅片振动的相互作用,以及液体附加质量和粘性阻尼对微泵液-固耦合系统动力特征的影响.     

近壁泊肃叶流中活性粒子迁移规律研究

研究活性粒子在剪切流中的迁移规律对实现颗粒分离和过程强化均具有重要意义.基于耗散粒子动力学理论,建立了描述微通道内近壁泊肃叶流中活性粒子迁移运动的数学模型,考察了活性粒子圆周运动角速度、手性诱导角速度、直行运动速度和转向扩散系数对大肠杆菌和常规活性粒子横向迁移速度和受迫转向频率的影响规律,并确定近壁剪切流中活性粒子横向迁移的形成机制.结果表明,近壁剪切流场中大肠杆菌的横向迁移速度随剪切速率增大先快速增加继而趋于稳定;大肠杆菌横向迁移速度随圆周运动角速度增大而减小,随手性诱导角速度、直行运动速度和转向扩散系数的增大而增大;大肠杆菌的受迫转向频率受圆周运动角速度、直行运动速度和转向扩散系数的影响小,而随手性诱导角速度的增大而加快;相比大肠杆菌,常规活性粒子横向迁移速度显著减小、受迫转向频率明显变慢,二者受直行运动速度和转向扩散系数的影响规律与大肠杆菌类似.直行运动是活性粒子形成横向迁移运动的前提,其他运动参数和结构参数均可一定程度促进或抑制活性粒子在近壁剪切流场中的横向迁移.     

轻敲模式下 AFM 动力学模型及能量耗散机理研究

轻敲模式下探针从远离到间歇性接触样品表面,是一个连续的能量耗散过程.针对该连续过程的能量耗散机理研究仅零星存在于各个文献之中,对于连续过程中各个阶段的能量耗散机理也没有一个系统的解释和实验验证.本文提出了新的位移激励下原子力显微镜探针-样品系统简化模型并得到了一维振子系统等效阻尼的计算方法,并通过该方法计算了探针在远离样品表面时的空气黏性阻尼和靠近样品时的空气压膜阻尼,分析了探针从远离样品到间歇性接触样品表面这一过程中的环境耗散机理变化,得到了原子力显微镜系统理论品质因数与探针工作位置的关系曲线;在此基础上设计了轻敲模式下的微悬臂梁扫频实验,得到了系统实验品质因数与探针工作位置的关系曲线,进而验证了理论模型的准确性. 本文通过对轻敲模式下AFM环境耗散机理进行理论分析和实验验证,希望可以对轻敲模式下AFM动力学特性及其阻尼作用机理有更近一步的认识,同时对微纳米机电系统 (MEMS/NEMS) 能量耗散机理的研究提供理论参考和实验方法.      

溃坝问题的粒子方法模拟

溃坝问题包括水体自由表面变形、翻卷、破碎、复杂的紊流和漩涡,涉及非线性复杂水动力学问题,含有丰富而复杂的流动机理。本文改进了传统的物质点方法,将物质点法从模拟固体问题拓展到了流体问题。采用改进的光滑粒子流体动力学和物质点方法,对两种长宽比的水坝坍塌过程进行了数值模拟,得到了波浪前沿及自由表面顶面随时间的演化过程。计算结果表明,两种粒子方法模拟的水体发展过程与实验结果吻合较好,较VOF更接近实验值。对涌波与竖直壁面的作用进行了计算,结果表明,SPH方法与其它方法相比能更好地捕捉水腔形态。最后分析了两种粒子方法在处理流体大变形问题时的特点以及计算的准确性和精度。     

微机械框架陀螺仪的动力学分析

本文根据欧拉动力学方程导出微机械框架陀螺仪的动力学方程，给出陀螺仪的运动规律，并探讨惯性质量对测量灵敏度的影响。     

微系统动力学中的若干非线性问题

微系统是近十多年迅速发展的新兴交叉学科领域.微系统动力学是微系统科学中的重要组成部分.微系统一般具有固有的非线性.本文从建模、分析、设计、控制、实验、测试、材料及制造等几方面归纳了微系统动力学中的若干非线性问题,并对今后的研究方向进行了展望.      

胶体的聚集过程和胶体晶体的微重力研究

本文结合日常生活和工业应用等方面的例子,介绍了与胶体聚集过程和胶体晶体等相关的复杂流体研究的科学意义和应用价值,分析了开展相关微重力研究的必要性,并介绍了国际上相关微重力研究内容,以及我国空间站即将开展的有关研究。

     

光滑粒子动力学方法的发展与应用

光滑粒子动力学(smoothed particle hydrodynamics,SPH)是一种拉格朗日型无网格粒子方法,已经成功地应用到了工程和科学的众多领域.SPH使用粒子离散及代表所模拟的介质,并且基于粒子体系估算和近似介质运动的控制方程.本文分析和综述了SPH模拟方法的发展历程、数值方法与应用进展.介绍了SPH方法的基本思想;从连续性、边界处理、稳定性和计算效率4个方面阐述了SPH方法的研究现状;介绍了SPH方法近年来在可压缩流动、不可压缩流动以及弹塑性材料高速变形与失效方面的一些典型应用;并对SPH方法的发展与应用进行了预测与展望.      

老化反应对高碱度烷基水杨酸钙胶体结构及抗磨性的影响

采用冷冻蚀刻电镜（ＦＥ－ＥＭ）,傅立叶红外光谱（ＦＴ－ＩＲ）及钙分布测定等研究了高碱度烷基水杨酸钙的老化过程,并探讨了老化机理,老化反应高碱度烷基水杨酸钙胶体粒子变小,胶体中氢氧化钙的相对含量增加,粘度降低,总碱值（ＴＢＮ）升高;老化后样品的清净性及抗磨性明显提高;水、甲醇及氢氧化钙等影响老化效果。     

基于微通道构型的微流体流动控制研究

微通道不仅仅是作为流体流动的单元, 更是进行流体控制的工具,微通道自身特性和特征用在实现微流体的驱动、进样、混合、分离以及液滴的产生、控制等方面已经表现出了良好的效果.由于微通道中比表面积非常大, 表面效应极大影响流体流动,近年来多数研究集中在应用表面效应来实现微流体驱动与控制,而以利用微通道结构特征实现流体流动控制为目标的研究成果相对较少.为了提高对通道构型作用的认识,主要介绍了基于微通道构型的无可动部件的流体微阀和基于微通道构型微小液滴的产生及流动控制器两个方面的发展情况,表明微通道构型在微流体控制中同样可以发挥重要作用,甚至有望带来微流控技术的突破.      

数值耗散对压气机流动分离涡模拟的影响研究

分离涡模拟DES是压气机流动模拟中常用的高保真湍流模式。为了使DES准确解析湍流,数值耗散必须限制在合理范围内。然而,当前的压气机流动DES类研究工作中仍然普遍采用高耗散的迎风格式。本文首先基于DES类方法计算的各向同性衰减湍流结果,定量比较了多种不同数值格式的耗散,证实了高耗散迎风格式严重低估中高波数湍流能量。高阶重构格式可以一定程度上改善该问题,但能量耗散仍然过高。本文在高阶重构的基础上,进一步引入自适应耗散函数修改Riemann求解器,构造了自适应耗散格式。该格式在全波数范围都能准确地预测湍流能谱。将该格式配合DES类方法模拟跨声速离心压气机流动,其预测的压比相比于三阶迎风格式,更加接近实验结果。此外,自适应耗散格式显著提高了中小尺度流动结构的分辨率。分析表明,在使用DES类方法模拟压气机流动时,有必要采用数值耗散较低的离散格式,以准确预测压气机总体性能和流动结构。本文构造的自适应耗散格式是一种良好选择。     

一类带高频耗散的动力学显式算法

带数值耗散的算法因其能有效过滤虚假高频响应的影响而备受关注。基于离散控制理论Z变换,提出一类带数值耗散的结构动力学显式算法。该算法采用CR法的速度和位移递推式,满足零振幅衰减率,且对线性系统和非线性刚度软化系统为无条件稳定,对刚度硬化系统则是条件稳定的;该算法由单个参数ρ控制数值耗散能力。通过对振幅衰减和周期延长的理论分析表明,系数a可调节算法的精度和非线性稳定区间,给出精度最优时系数的取值。对特定的系数取值该算法可转变为CR法。通过算例对线性系统和非线性系统的分析验证了新算法具有良好的精度、稳定性和数值耗散,表明新算法是正确有效的。     

活性流体流变行为的布朗动力学模拟研究

活性流体在用于开发新材料方面具有巨大潜力, 满足这一需求就要定量掌握活性流体所表现的特殊力学行为, 特别是流变行为. 扩展布朗运动方程, 建立自驱动活性粒子的运动模型, 基于反向非平衡法确定活性流体的黏度, 考察活性粒子体积分数、直行速度和转向扩散系数对活性流体流变行为的影响规律, 确定活性流体特殊流变行为的形成机理. 结果表明, 活性流体的流变曲线可被划分为黏度下降区、过渡区和牛顿区; 活性粒子体积分数越高, 活性流体的非牛顿特性越显著, 活性粒子的直行运动引起活性流体在低剪切速率区域黏度下降, 直行运动和转向运动的耦合作用导致中剪切速率区域流变曲线非单调变化, 活性粒子频繁发生转向运动会导致活性流体非牛顿特性受到抑制; 活性流体的宏观流变学特性和粒子的涨落直接相关, 活性粒子体积分数越高、直行速度越快和转向扩散系数越小, 活性流体中活性粒子越容易产生显著的涨落; 低剪切速率区域内活性粒子涨落明显, 随着剪切速率增大, 活性粒子的涨落逐渐被削弱, 粒子的聚集结构不断被破坏, 最终体系的流变行为类似一般被动流体.      

碳纳米管与石墨基底间摩擦耗散的分子动力学模拟研究

采用分子动力学模拟方法研究了公度、不公度2种情况下碳纳米管在石墨基底上运动的摩擦机制与能量耗散,计算中先使碳纳米管在石墨基底上弛豫平衡,而后施加持续500 fs的固定外力,撤去外力后碳纳米管在基底上减速至相对基底静止.结果表明:在公度条件下,碳纳米管先在石墨基底上滑动,动能降低到一定值后出现翻转、滚动、滑动交替进行的现象.所受侧向力(即摩擦力)在滑动阶段呈现周期性变化,在开始滚动时摩擦力达到负向最大;在不公度条件下,碳纳米管在石墨基底上一直处于滑动状态,侧向力始终为负值;在公度情况下,侧向力对称性的破缺由碳纳米管底部原子与石墨基底原子间的法向趋近与分离引起,并由此而产生摩擦;碳纳米管与石墨基底原子间的相互作用为斥力-碰撞型,黏性摩擦造成了能量耗散.     

关于轻敲式原子力显微镜动力学系统中能量耗散的研究

原子力显微镜是一种典型的微纳谐振器,其核心部件是一个对微弱力极敏感的微悬臂梁探针,当它在不同的环境工作时,存在着各种不同形式、不同性质的能量耗散,这些能量耗散与系统的相位图像有着密切的联系.在众多的耗散机制中,只有针尖与样品的黏附接触耗散才能真正反映样品的性质,其他耗散会降低黏附接触耗散在系统总耗散中的占比,使得图像中的有效信息被削弱.因而,明确其他耗散对系统品质因数的量级贡献是十分重要的,这有助于提高图像的品质.为了研究这些耗散,本文根据耗散机理产生的原因对不同的能量耗散进行了细致的分类,系统总结了各种能量耗散的类型.之后,通过理论、实验和仿真的方法探究了在不同环境下、不同位置处微悬臂梁探针的能量耗散,明确了不同耗散对系统品质因数的量级贡献.然后,对于不同流体环境下的能量耗散,对比了它们的作用机理及量级大小.最后,对于在大气环境下工作的原子力显微镜探针,研究了它在振动过程中从高于样品表面到下降并接触样品这一连续过程中不同阶段存在的能量耗散,分析表明,在这些能量耗散中对系统品质因数影响最大的是由空气引起的耗散,包括空气黏性阻尼,压膜阻尼及液桥耗散.