多元相分离及气液共存耗散粒子动力学模拟

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多元相分离及气液共存是复杂多相流研究的重要领域,应用范围广泛。复杂多相流体系中各相具有不同的变量,相间界面会发生改变,相间存在质量和热量传递,同时涉及水力学不平衡及热力学不平衡,比单相复杂得多。耗散粒子动力学(Dissipative particle dynamics, DPD)是一种新型的基于粒子运动的介观数值模拟方法,可以避免格子方法中对界面的捕获及追踪,较易获得相分布,在复杂流体模拟实验方面具备一定的优势,是多元系统模拟的有效手段。在DPD的基础上提出的多体耗散粒子动力学(Many body dissipative particledynamics, MDPD)改进了保守力的定义式,可以模拟气液共存的两相流系统。本文基于耗散粒子动力学这一新型介观数值模拟方法,对多元相分离、混合过程,气液共存系统在无重力及微重力条件下的液滴聚集现象进行了全面的数值模拟实验研究。验证了两个流动基准数值实验:Poiseuille流和纯剪切流,检验不同边界条件处理方法的效果,得到了实现无滑移边界条件的最佳处理方案。动态实现了多元相分离及混合过程,界面张力随着不同组元间保守力系数的增加而变大,验证了界面张力随着温度升高而下降,界面张力是维持稳定界面的关键因素,温度超过临界点之后,无法形成稳定界面。采用MDPD方法模拟气液共存系统,动态记录了液滴在无重力和微重力条件下的聚集成形过程,得到了通过液滴中心的液滴密度及温度、压力分布;同时模拟了微重力下壁面对液滴成形的影响,定量分析了微重力条件下液滴的形态及液滴在壁面上的铺展行为,为微重力环境气液界面特性,液滴聚集行为研究开辟了新的有效的研究途径和数值模拟实验方法。
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