基于耗散粒子动力学的流体流动模拟

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随着科学技术的不断发展,计算机模拟技术已经成为科学研究的重要领域。计算机模拟可节省人力、物力,缩短实验周期,先验实验的可行性,预测实验的结果。还可实现实验条件下达不到的模拟,如高温等离子体、核反应堆模拟等。如今,计算机模拟已应用到几乎所有的应用科学领域,如材料科学、生命科学、天体学、气象学以及建筑、工程学等方面。本论文着眼于流体流动的耗散粒子动力学模拟。重点研究了基于耗散粒子动力学的poiseuille流的流动模拟以及介观尺度通道内多相流体的流动模拟。文章首先从选题背景入手,介绍了耗散粒子动力学(DPD)的国内外研究现状。然后介绍全文的理论基础,也即耗散粒子动力学的理论基础包括:理论模型、数值积分方法、与真实流体的映射、边界条件、DPD方法的改进和应用、无量纲化、DPD程序流程等。有了理论基础,这样就有了研究工作的坚实基础。其次介绍了流体流动模型(分子模型与连续介质模型),以及poiseuille流模型。推导了DPD模拟poiseuille流动中需要的公式以及参数,并求出了poiseuille流的理论解析解。重点研究耗散力权函数表达式的修正和指数s对系统中的施密特数和耗散粘度的影响,建立详细的研究方案,对两无限长平板之间的poiseuille流进行了模拟。具体分析了s=1/2,s=2两种指数下的poiseuille流动,得出最终流体的流动速度,系统温度、密度等。分析得出在指数s=1/2时流体的最终速度更接近解析解。最后应用耗散粒子动力学(DPD)模拟Y型通道内的两相流动,鉴于poiseuille流动的模拟结果我们采用耗散力权函数的指数为:s=1/2,粒子间的保守力权函数采用两种不同类型的光滑函数构造,并对比两者之间的模拟结果。第一种采用三次光滑函数构造粒子之间的保守力权函数,并应用此模型计算模拟Y型通道内的两相流模拟,第二种采用四次光滑函数构造粒子之间的保守力权函数,并应用于模拟Y型通道内的两相流模拟。分析对比采用三次光滑函数时与采用四次光滑函数时的模拟结果,得出采用四次光滑函数进行模拟时的远程吸引近距排斥的效果更加明显。在采用四次光滑函数构造的保守力权函数的基础上,对粒子间保守力权函数添加各向异性因子,并应用新的权函数对Y型通道内的两相流动进行计算模拟,然后分析对比了两者的联系与区别。
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