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微尺度流动日益成为人们关注的热点,其研究成果广泛应用于生物、医学、化学等各大领域。由于微流动表现出许多宏观流体所不具有的流动特性并且跨越了纳米到微米尺度,经典的研究工具诸如连续方程和分子动力学均受到了局限。
本文阐述了一种全新的耦合算法,将流体划分为三个部分——连续区、离散区和重叠区。连续区基于连续介质模型并用Navier-Stokes方程求解,离散区基于离散模型并用分子动力学求解,重叠区则同时使用两种模型和两种算法求解。离散区和连续区通过重叠区域互相传递信息,进行匹配。
耦合算法的难点与重点在于如何更好地使两种截然不同的算法在耦合区实现质量、动量等物理量的连续性。动量的连续性采用约束粒子动力学实现,质量的连续性则是通过分子动力学区域靠近边界的粒子增减来实现的。过去人们随机选取位置放入新粒子,常常导致新粒子因为与原先存在的粒子重叠而被反弹出计算区域。我们采用了Usher算法来解决这个问题,Usher算法能够快速在稠密流体中寻找具有指定低能量值的位置加入粒子,保证系统稳定。另外,本文从粒子距离的角度出发发展了Center算法,能够在稠密流体中寻找合理位置放入新粒子。这两种算法均顺利实现了从连续区域向离散区域流入的质量流,保证了质量连续性。
耦合算法结合了连续方程和分子动力学的优点,能够成功模拟连续介质难以处理的固体/流体交界面的微结构,大大提高了运算速度。我们应用耦合算法模拟了下壁面具有粗糙表面结构的微管道中突然启动的考艾特流动。从计算结果看出:在无滑移边界条件下,耦合算法得到的速度剖面和全分子动力学模拟得到的结果一致,这进一步验证了耦合算法的正确性和优越性,预见了其在微尺度流动中广阔的应用前景。