介觀尺度流固界面及動態毛細浸潤現象的DPD研究

《介觀尺度流固界面及動態毛細浸潤現象的DPD研究》是依託同濟大學，由陳碩擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：介觀尺度流固界面及動態毛細浸潤現象的DPD研究
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：陳碩
• 依託單位：同濟大學

中文摘要

本項目擬探索適合動態毛細浸潤現象研究的耗散粒子動力學（DPD）流固界面模型；利用DPD方法詳細研究在動態條件下的毛細浸潤現象，諸如微通道中液體的受迫流動以及毛細自動注入的動態過程等，闡述動態毛細、浸潤現象的介觀尺度作用機理，尋求避免液氣固三相接觸線應力奇異問題的依據；研究由有限拉伸非線性彈性（FENE）鏈構成的非牛頓流體的毛細浸潤現象，討論FENE鏈模型參數對非牛頓流體毛細浸潤過程的影響。研究微結構粗糙表面對於液體毛細浸潤特性所產生的重要作用，從各種不同拓撲形貌的微結構粗糙表面的形式中提取物理現象背後的主導因素。模擬液滴在不同的微結構粗糙表面上的碰撞、反彈行為，分析不同浸潤性粗糙表面對於液滴碰撞、反彈的影響。模擬複雜微通道網路內的流體流動，討論毛細浸潤作用對於複雜微通道網路內流體流動行為的影響。本項目擬為表面科學機理研究、微流體器件的研發、防冰材料的設計等提供詳細的介觀尺度數值模擬信息。

結題摘要

針對液體在毛細管道內的運動以及液滴在固體表面上浸潤、鋪展過程的微尺度機理研究是微流體器件研發以及生物表面浸潤性等領域研究的一個重要環節。毛細作用、浸潤現象受界面力和流體自身表面力以及特殊的微納米結構等多種因素的共同控制，顯示出“多協同效應”的機制，其作用機理尚未完全清楚，迫切需要深入研究。本課題利用多體耗散粒子動力學（MDPD）方法，在介觀尺度上針對流固界面以及與浸潤密切相關的流體系統的動力學特性進行了數值模擬研究，闡述動態毛細、浸潤現象的介觀尺度作用機理。考察了MDPD方法模擬液氣共存以及帶有自由面流體的流動行為的能力，提出了適合MDPD進行浸潤性研究的流固界面數值模型。通過不同的參數組合可以產生很大範圍內變化的浸潤性；模擬研究了牛頓及非牛頓液滴在複雜微粗糙通道內部的流動行為，以及液滴滾過光滑基底上分布的微柱狀突起時的運動過程，討論了微柱狀突起其不同的浸潤特性對於液滴運動的影響，研究結果支持目前國際上認為浸潤是基於接觸線的問題而非基於接觸面積的問題的一種觀點；對液滴撞擊在粗糙結構表面上的動力學進行了MDPD數值模擬研究，分析了液滴在微結構粗糙表面上的碰撞、反彈行為所產生的重要影響；模擬研究了液滴滾過化學非均質表面以及幾何粗糙所導致的非均質表面的過程，重點研究了液滴在上述兩種非均質表面上所產生的特殊的“粘滯－滑移”運動現象，以及相應的液滴的接觸點 “釘扎－脫釘”交替變化的過程。對液滴被吸入毛細管道的現象進行了研究。液滴在毛細管道中的運動方向不僅與管道表面的浸潤性有關，而且還和液滴的半徑有關。我們發現在特定的情況下，液滴在疏水性毛細管道內部運動比在親水性管道內要快。研究了DPD基於CUDA平台的GPU並行計算的實施，驗證了GPU計算結果的正確性，獲得單卡約20倍的加速比。本項目可為表面科學機理研究、微流體器件的研發、防冰材料的設計等提供詳細的介觀尺度數值模擬信息。