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.      

超疏水小球低速入水空泡研究

物体入水问题是一类复杂的流固耦合问题,具有广泛的工程应用背景.物体在跨越自由液面入水的过程中,在一定的条件下,会向水中卷入空气形成空泡,空泡的运动还可能形成指向物体的射流,从而对物体的受力及其运动过程产生影响.超疏水表面能够在物体入水过程中形成多尺度流固耦合作用,进而影响物体的运动和宏观流动现象.而对于小尺度的小球低速入水问题,表面和界面力往往起主导作用.为了在更广的参数空间获得超疏水小球入水空泡类型和小球的运动特性,采用高速摄影实验方法,研究了半径0.175～10 mm的超疏水小球低速入水及空泡动力学行为,获得了小球漂浮振荡、准静态空泡、浅闭合空泡、深闭合空泡和表面闭合空泡5种类型的动力学行为,探讨了这些运动行为与韦伯数We和邦德数Bo之间的关系,并推导了小球漂浮振荡与下沉现象的无量纲关系.研究结果表明:超疏水小球的入水及空泡动力学行为主要与韦伯数We和邦德数Bo有关.在邦德数Bo O (10~(-1))范围内,表面张力对流动的影响显著,随着韦伯数We的增大,小球入水及空泡动力学行为依次经历漂浮振荡、准静态闭合、浅闭合、深闭合和表面闭合;在邦德数O(10~(-1))Bo O(1)范围内,漂浮振荡现象不再发生;当邦德数Bo O(1)后,浅闭合现象也不再发生;小球漂浮振荡与下沉现象的临界关系可以用相似律关系描述.     

超疏水小球低速入水空泡研究

物体入水问题是一类复杂的流固耦合问题,具有广泛的工程应用背景.物体在跨越自由液面入水的过程中,在一定的条件下,会向水中卷入空气形成空泡,空泡的运动还可能形成指向物体的射流,从而对物体的受力及其运动过程产生影响.超疏水表面能够在物体入水过程中形成多尺度流固耦合作用,进而影响物体的运动和宏观流动现象.而对于小尺度的小球低速入水问题,表面和界面力往往起主导作用.为了在更广的参数空间获得超疏水小球入水空泡类型和小球的运动特性,采用高速摄影实验方法,研究了半径0.175$\sim$10mm的超疏水小球低速入水及空泡动力学行为,获得了小球漂浮振荡、准静态空泡、浅闭合空泡、深闭合空泡和表面闭合空泡5种类型的动力学行为,探讨了这些运动行为与韦伯数We}和邦德数Bo之间的关系,并推导了小球漂浮振荡与下沉现象的无量纲关系.研究结果表明:超疏水小球的入水及空泡动力学行为主要与韦伯数We和邦德数Bo有关.在邦德数Bo $<$ $O$ (10$^{-1})$范围内,表面张力对流动的影响显著,随着韦伯数We}的增大,小球入水及空泡动力学行为依次经历漂浮振荡、准静态闭合、浅闭合、深闭合和表面闭合;在邦德数$O$ (10$^{-1})$<$ Bo} $<$O(1)$范围内,漂浮振荡现象不再发生;当邦德数$Bo>O(1)$后,浅闭合现象也不再发生;小球漂浮振荡与下沉现象的临界关系可以用相似律关系描述.      

基于舌/上颚微间隙下流体流动行为研究

为探讨口腔环境下流体的流动行为,采用数值方法与流变试验深入研究舌/上颚微间隙下流体流量的影响因素. 建立舌/上颚微间隙的简化模型及Reynolds方程,通过数值方法获取微间隙下流量变化;在DHR-2流变仪上研究非牛顿流体的黏度与剪切率的变化,探讨牛顿流体和非牛顿流体的流量影响. 结果表明:牛顿流体流量平方的倒数同载荷和黏度比值和时间均呈线性函数关系;所制备的非牛顿流体近似为幂律流体,其黏度随脂肪含量的增加而增大,而非牛顿流体流量率先高于后低于等效牛顿流体,其研究结果将为特定人群功能产品的研发提供技术支持.      

微尺度气体流动

了解微尺度气体流动特点是微机电系统设计和优化的基础.有关的研究可以上溯到20世纪初Knudsen的平面槽道流动质量流量的测量和Millikan的小球阻力系数的测量,实验结果揭示了稀薄气体效应即尺度效应对气体运动的重要影响.由于流动特征长度很小,微尺度气流经常处于滑流区甚至过渡领域,流动的相似参数为Knudsen数和Mach数.因此可以考虑利用相似准则,通过增大几何尺寸、减小压力的途径,解决微机电系统实验观测遇到的困难.为解决直接模拟Monte Carlo方法分析微机电系统中低速稀薄气流遇到的统计涨落困难,我们提出了信息保存法(IP),该方法能够有效克服统计散布,并已成功用于多种微尺度气流.      

基于小型电磁动力驱动器的微流道混合控制研究

对于许多微流体应用系统来说,流体的混合是至关重要的.本文研究了基于电磁流体动力混合器的微流道主动混合控制方法,建立了该微流道混合系统的理论模型并进行了数值模拟.在交变Lorentz驱动下,流经混合器流道的流体及其分界面在混合器流道内往复运动,流体界面的反复折叠与流体局部流动使流体混合,流体的横向往复运动使流体分界面反复折叠从而使流体间的接触面积大大增加.对流体混合过程进行了讨论并给出了漉体混合程度评价方法.     

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.     

基于光滑粒子流体动力学的滑油泵数值仿真

基于光滑粒子流体动力学方法,构建齿轮泵壳体及内部流体的粒子模型,对内啮合齿轮泵在不同工况下的流量特性进行数值模拟。首先设置了均匀分布的油泵出入口压强,计算得到的流量结果与试验结果吻合,且在中低转速下流量与转速呈线性关系;针对高转速下油泵流量降低的问题,通过适当减小周期模型内部的流体粒子数反映流量降低,获得了与试验值相吻合的连续转速流量的模拟结果;针对影响齿轮泵性能的间隙和空化现象,结合模型特点给出了相应的近似处理方法。通过以上研究,将SPH方法成功地应用于滑油泵问题的分析计算。     

微纳通道谐振器检测与表征中的动力学问题

微纳通道机械谐振器在液体环境中具有超高的谐振频率、品质因子和灵敏度,常用于液体环境中的高精度检测与表征,在生物、医药、化工等领域有着广阔的应用前景.微纳通道机械谐振器的检测与表征功能高度依赖其动力学特性,而此类器件是由谐振结构、内部流体、被检测物和外部激励等多因素组成的耦合系统,涉及的动力学问题较为复杂,已成为谐振器件研究中的前沿热点和瓶颈问题.本文综述了微纳通道机械谐振器的研究进展,总结了谐振器件实现高精度检测与表征功能时的动力学设计原理,详细讨论了谐振器件的稳定性、频响特性、能量耗散、频率波动等动态特性,阐明了不同动力学问题的物理机制及其对谐振器性能的影响规律,可为深入厘清微纳通道机械谐振器的动力学设计问题,提高器件动态性能提供理论参考和技术支撑,对超高频、超高灵敏度谐振器的设计、制造及应用发展具有重要意义.      

稳态条件下气溶胶粒子在口腔模型中的沉淀率

以实际人体解剖学数据为基础,利用流体力学软件构建了口腔模型。由于口腔形状不规则,流场中会有湍流产生,所以本文选用的是k-ω方程。在此基础上,假设吸入空气流量为一个常量,改变吸入气体、气溶胶粒子的物理参数,以调整St数的变化,模拟不同情况下气溶胶粒子运动情况。由模拟结果可知:气溶胶粒子在口腔中的沉淀率受粒子半径、密度、及流速的影响,并随这些量的增加而增加;沉淀率可以视作St数的函数,并随St数的增加而增加;气溶胶粒子在口腔中的沉淀分布受模型几何形状和湍流的影响,在喉部附近沉淀较为明显;粒子在口腔中将沿怎样的轨迹运动则取决于粒子在入口处的初始位置。     

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．     

电磁力诱导二次流对微流体混合效果影响的研究

设计了一种微流道中液体混合的方法, 基于电磁力的作用, 诱导微流道中二次流动 发生, 从而产生Dean涡, 使流道中流体出现往复运动及流体界面的弯曲延伸, 使不 同流体的接触面积大大地增加, 从而提高混合效率. 对3种结构的工况进行了比较. 建立了微流道混合系统的理论模型并进行了数值模拟,对流体混合过程进行了分析并对混合效率进行了评价. 进行了验证性的试验研究, 对模拟结果与试验结果进行了比较, 结果相吻合.     

SPH固壁边界处理方法的改进

提出一种适用于光滑质点水动力学（SPH）方法的改进的边界处理方法。在这种方法中,边界粒子的压力可通过其周围的流体粒子的压力插值得到,从而改进了耦合边界法在边界上压力不准的问题。运用这种改进的边界处理方法模拟了二维方形水箱中的非线性晃荡问题以及二维楔形体自由入水问题。模拟结果与实验结果吻合较好,证明了此改进的边界处理方法是有效的。     

基于2D网格的轴对称浸没边界法

浸没边界法是处理颗粒两相流中运动边界问题的一种常用数值模拟方法. 当研究的物理问题的无量纲参数满足一定要求时, 该流场结构呈现轴对称状态. 为此本文提出了一种基于2D笛卡尔网格和柱坐标系的轴对称浸没边界法. 该算法采用有限体积法(FVM)对动量方程进行空间离散, 并通过阶梯状锐利界面替代真实的固体浸没边界来封闭控制方程. 为了提高计算效率, 本文采用自适应网格加密技术提高浸没边界附近网格分辨率. 由于柱坐标系的使用, 使得动量方程中的黏性项产生多余的源项, 我们对其作隐式处理. 此外, 在对小球匀速近壁运动进行直接数值模拟时, 由于球壁间隙很小, 间隙内的压力变化比较剧烈. 因此想要精确地解析流场需要很高的网格分辨率. 此时, 需要在一个时间步内多次实施投影步来保证计算的稳定性. 而在小球自由碰壁运动中, 我们通过引入一个润滑力模型使得低网格分辨率下也能模拟小球近壁处的运动. 最后通过小球和圆盘绕流、Stokes流小球近壁运动以及小球自由下落碰壁弹跳算例验证本算法对于轴对称流的静边界和动边界问题均是适用和准确的.      

一种新型主动微混合器及其流场的数值研究

设计一种通过交变电磁力作用,使液体得到有效混合的微混合器。基于微尺度的无滑移模型,建立了微型管道内液体流动及混合的模拟方法,并开发了计算程序,对微管道内流体的流动与混合过程进行数值模拟,得到了流场分布图。通过交变电压的作用而产生交变的电磁力,对流场产生扰动,从而提高了微型管道中不同流体的混合效率。分析比较不同交变周期下的混合方案,并对其混合效率进行了评价。     

微管中非混溶两种流体运动界面的特征

以平流泵为压力源,在不同管径的石英微管中进行流动试验,显微镜观察和拍摄水-气界面和油-水界面,在微米尺度下进行了不同流速的运动界面实验,研究了微管中非混溶两种流体运动界面的特征,以及润湿性对流体在微管中流动界面的影响.实验中观察到了润湿界面的滞后现象,即界面随流速的不同而改变的现象.实验结果表明:水在微管中流动的气液界面随着流速的不同形状发生改变,流速较小时,界面基本保持为凹液面;随着流速的增加,液面由凹液面向平液面发展,进而发展为凸液面.在表面张力的作用下,微管的尺寸越小,两种流体的性质差别越大,界面的润湿滞后现象越不明显,讨论了界面和润湿滞后存在的问题和可能的应用.     

基于滑移理论的超疏水表面减阻性能分析

采用滑移理论计算和数值模拟方法研究超疏水表面的减阻性能.层流流动状态的数值模拟和理论计算结果的一致性较好,并可证明滑移速度与通道内流体速度之比与无量纲压降比的数量级相当;湍流状态的数值仿真结果表明,在目前可实现的滑移速度范围内,超疏水表面对水下航行器的流体阻力影响不显著.     

冠状毛细血管长度非线性变化及渗透作用下的毛细血管血液流动

建立冠状毛细血管内血流的血液动力学模型,研究毛细血管长度沿轴向的非线性变化及冠状毛细血管与周围组织的渗透和物质交换对血液流动的影响。考虑单根长弹性并具有通透性的冠状毛细血管,毛细血管长度非线性变化,毛细血管内血液为粘性不可压缩牛顿流体,跨壁滤过遵循Starling定律,血浆胶体渗透压和血浆蛋白浓度成线性关系。建立血管半径的无量纲方程,数值求解不同生理参数情况下,左心室壁不同层中毛细血管沿长度平均的无量纲半径和不同层毛细血管的平均流量。结果显示,冠状毛细血管与周围组织的渗透和物质交换及毛细血管长度沿轴向的非线性变化对平均无量纲半径和平均出口流量几乎没有影响;而对弹性模量较小的毛细血管,则对心脏收缩期时的平均进口流量有不同程度的影响。     

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.      

微/纳流控系统电渗流研究进展

简要介绍了微/纳流控系统中双电层和电渗流的基本原理、当前研究热点以及最新进展.从胶体界面理论出发,基于流体连续性模型和微纳米尺度流动的多物理场数值分析法,介绍了电渗流特性, 如焦耳热效应、 反离子效应、 表面电场调控双电层、双流体输运和周期电渗输运等电渗流控制方法.最后对电渗流测量作简要介绍.