文档介绍：中国工程热物理学会学科类别:传热传质学
学术会议论文编号: 123455
耗散粒子动力学中施加无滑移边界条件的新方法国家自然科学基金(No. 51121004,51176040),新世纪优秀人才支持计划(NCET-09-0067)
肖自锋,曹知红,易红亮,谈和平
(哈尔滨工业大学能源学院,哈尔滨 150001)
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摘要耗散粒子动力学(DPD)中固液边界条件常常会出现速度滑移现象,本文提出了一种新的处理方法来实现无滑移边界条件。通过选取合适的壁面粒子与流体粒子之间的保守力系数可以控制近壁面区粒子数,从而可以使密度波动降低至极小值,实现无滑移边界条件。通过该方法模拟泊肃叶流动求得的流体性质与通过使用Lees-Edwards边界条件模拟剪切流动所求得的流体性质一致,证明了该方法简单可靠。
关键词耗散粒子动力学;无滑移边界条件;保守力系数
0 前言
耗散粒子动力学(Dissipative Particle Dynamics, DPD)是由荷兰学者Hoogerbrugge和Koelman于1992年提出的一种介观的数值模拟方法[1],可以看成是粗粒化的分子动力学方法,每一个DPD粒子包含一团原子或者分子,可以使用更大的粒子尺寸和更长的时间步长,因此比传统的分子动力学方法对计算机性能的要求更低,能应用到微观尺度和宏观尺度的问题。另外,DPD方法是一种基于粒子的方法,对于复杂流体的模拟有着得天独厚的优势。近年来,耗散粒子动力学方法日益受到重视,逐渐应用到了各类复杂的流体流动,如相分离、蛋白质等大分子悬浮、表面活性剂、胶体输运、聚合物溶液、生物薄膜、以及纳米悬浮液的对流换热现象[2]。
DPD方法的固液边界条件一般是通过冻结规则分布的DPD粒子代表固体壁面来实现。由于DPD方法中软势力的采用,并不能阻碍部分粒子逃逸模拟空间,因而须引入映像条件把粒子重新引入模拟区域。为实现无滑移边界条件,一般采用反弹映像[3],即规定重新引入的粒子速度方向和大小均与碰撞前相反。
DPD方法中固液边界条件存在两个问题:第一,由于壁面粒子施加在耗散粒子上的保守力随着粒子与壁面间距离而波动[4],这必然引起壁面附近流体密度的扭曲;第二,流体粒子在壁面粒子所施加保守力的作用下远离壁面,那么具有降低流体粒子速度作用的耗散力也随之降低,这将导致固体壁面处速度滑移。从原理上讲,只要粒子数分布均匀,无滑移边界条件即可实现。
Duc Duong-Hong等人[5]于2004年提出了调节两层固体壁面间的粒子距离的方法,用以降低近壁面区流体粒子所受力的波动,从而实现无滑移边界条件。
Pivkin等人[4]于2005年通过模拟得到了壁面粒子施加于流体粒子的保守力随两类粒子之间保守力系数abi变化的函数,然后让其等于流体粒子本身所受其他流体粒子的保守力,即可得到波动最小的保守力系数
,并产生无滑移边界条件。但是此种方法所得的abi过小,壁面处粒子数密度过大,仍会导致较大的波动。
本文在Pivkin的基础之上直接模拟得到不同abi下的粒子数密度波动,然后取其最小值所对应abi即可得到无滑移边界条件。通过该方法模拟泊肃叶流动求得的流体性质与通过使用Lees-Edwards边界条件模拟剪切流动所