黏弹性溶剂中胶体流动行为的多粒子碰撞动力学模拟

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以高分子等复杂流体为分散介质的胶体体系在生活、生产、功能材料的制备等领域都有着广泛的应用。由于分散介质的黏弹性,胶体粒子呈现出在牛顿流体中没有的复杂流动行为,如流致迁移、流致组装等。为了更好的调控这类体系的性能,人们迫切希望了解胶体在黏弹性溶剂中的流动行为,进而调控胶体的结构。然而胶体/高分子复合体系具有复杂的多层次结构,这给实验研究和理论分析带来了很大的挑战。由于能同时研究不同尺度的结构与性能,计算机模拟有望在这一领域发挥重要的作用。本文首先在多粒子碰撞动力学(MPC)模拟中构建了一种高效的黏弹性溶剂,并以此对胶体在黏弹性溶剂中的流动行为进行了模拟,探究了不同流场下溶剂的黏弹性对胶体行为的影响。本文的主要内容如下:(1)第二章首先介绍了我们采用的多粒子碰撞动力学(MPC)模拟方法。MPC是一种高效的介观粒子模拟方法,该方法已广泛应用于高分子、胶体等复杂流体的研究。该章介绍了有关MPC模拟的基本原理、常见算法及相应技术细节,并对MPC模拟中已有的黏弹性溶剂模型和胶体模型进行了比较、分析。最后考察了简单剪切场和毛细管流场中MPC流体的性质,对我们的MPC算法进行了验证。(2)第三章发展了一种高效的具有剪切变稀特性的黏弹性溶剂模型,这是研究的首要任务。已有研究表明,在MPC模拟中可以采用哑铃模型来模拟复杂流体:谐振子哑铃的模拟效率高但在剪切时呈现恒定的粘度;FENE哑铃呈现剪切变稀特性但计算效率相对较低。由于剪切变稀是胶体流致组装的必要条件,我们结合两种哑铃模型的优点,提出了一种改进的FENE哑铃模型。模拟表明,算法的改进不影响FENE哑铃的流变性质,而运算效率可以得到明显提升。(3)第四章考察了简单剪切场下胶体粒子的流动行为,主要是两个胶体的相对运动。结果表明,在牛顿流体无惯性效应时,胶体的相对运动轨迹呈完美的对称状,而存在惯性效应时,轨迹的对称性消失,并出现返回轨迹。在剪切变稀黏弹性溶剂中,除了轨迹对称性消失外,我们发现在一定的条件下,两个胶体会绕着对方旋转,即所谓的kissing-tumbling-tumbling现象。模拟表明,两个粒子的相对运动轨迹和一个孤立胶体粒子周边的流线形状相近。进一步研究证实,胶体在黏弹性溶剂中的转速要慢于牛顿流体中的转速。多胶体粒子体系模拟发现,我们的体系在剪切时只存在瞬时的不稳定聚集结构。(4)第五章研究了胶体在不同溶剂中的沉降行为。结果证明,胶体的沉降行为受到溶剂的流变性质和界面的影响。一个胶体粒子在沉降时趋于平衡位置:在黏弹性溶剂时,该位置始终是中心线,而在牛顿溶剂中,则随着体系雷诺数变化而变化。溶剂的流变性质对两个胶体粒子的沉降行为影响显著:在黏弹溶剂中很明显,不同位置释放的两个胶体沉降后倾向于形成一个整体;而在牛顿流体中,两个胶体则倾向于相互分离沿着墙下沉。
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