纳米流体液滴的耗散粒子动力学方法模拟

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1、第八届全国流体力学学术会议2014年9月18～21日甘肃兰州文章编号：CSTAM2014-B01-0333标题：纳米流体液滴的耗散粒子动力学方法模拟作者：沈世元，周哲玮单位：上海市应用数学与力学研究所上海大学Copyright©2014版权所有中国力学学会地址:北京市北四环西路15号　邮政编码:100190　Address:No.15BeisihuanxiRoad,Beijing100190纳米流体液滴的耗散粒子动力学方法模拟沈世元1,2，周哲玮1,2（1上海市应用数学与力学研究所，上海闸北区200070）（2上海大学，上海闸北区20007

2、0）摘要纳米流体是指把直径范围从10nm—100nm的金属或非金属纳米颗粒分散到水、醇、油等传统物质中形成的新型流体。纳米颗粒的尺寸和浓度会对纳米流体的表面张力、润湿性和导热性等产生很大的影响，是近年来材料、物理、化学、传热学等众领域的研究热点。DPD（耗散粒子动力学， Dissipative Particle Dynamics）是研究介观尺度下粒子运动的有力工具，其算法中的参数与物理系统的关系是研究热点之一。本文利用DPD方法模拟介观尺度的纳米液滴，根据纳米液滴的接触角确定DPD方法中的参数，研究了固壁、液体和纳米颗粒之间的相互作用系数。

3、由于各种参数可以根据实测的数据来确定，此方法适用于研究实际工程中的问题。关键词纳米流体；耗散粒子动力学；接触角；相互作用系数1.引言1995年，美国Argonne国家实验室的Choi3等人提出了一个崭新的概念——纳米流体。随着纳米技术日益深入人心，相关研究逐渐成为一个热点，并在许多工业领域中得到拓展，比如含有表面活性剂的纳米流体可用来增加石油开采量，改良油污后的土壤；由于其易于浸入固体表面的特性，还常被用于对材料进行优化和改良。此外，纳米流体的有效导热系数高于相应纯流体，这使其传热性明显增强，因而多用于芯片散热的液冷系统中。通常，悬浮在流体

4、中的纳米颗粒会受到诸如流动阻力、布朗运动、粒子间扩散及重力等内外因素的影响，其运动规律极其复杂。1前人对于纳米流体性质的各个方面做了广泛的研究。1993年日本东北大学的Masuda等人2在水中添加平均粒子直径为13nm的和27nm的粒子，制备了不同体积浓度的纳米颗粒胶体并测量了胶体的导热系数;1995年，美国Argonne国家实验室的Choi等人以一定的方式和比例在液体中添加纳米级金属或金属氧化物粒子，并称之为纳米流体。3其中的氧化物粒子包括、、等，另外还有一些金属粒子和碳化物等4。在1995年Choi3之后，国内外的学者纷纷对纳米流体展开

5、了深入的研究。在国内方面，范庆梅等人5对纳米流体的热导率和粘度进行了计算。李云翔等人6为纳米流体的研究进展做了一个总结，包括：纳米流体稳定性的研究、纳米流体物性的研究、纳米流体传热特性的研究，其中既包括实验方面的研究进展也对纳米流体物性以及传热特性的理论研究进行了系统的总结。国外方面，B.Davidovitch等人7研究了考虑了热扰动的粘性液滴在基板上的过程。杰出的研究人员如Kim8-11、Vassallo12、Truong13等人也在纳米流体的性质研究方面做出了杰出的贡献，这里不再一一赘述。分子动力学模拟（MolecularDynamic

6、s,MD）是一种在微观尺度下模拟原子和简单分子运动的方法。但由于超出这个尺度的时候，MD方法不适用，我们需要采用另外的方法。对于介于宏观和微观之间的尺度上的流体动力学行为的研究是目前学术界的热点问题。这个中间的尺度通常被称为介观尺度，通常指的是10-1000nm和1ns-10ms的尺度。本文所采用的介观尺度下模拟流体的动力学行为的方法是耗散粒子动力学方法（DissipativeParticleDynamics，简称DPD）14。此方法通过对模拟区域内的粒子进行粗粒化，以减少计算代价，在更短的计算时间内计算更大的区域。DPD方法中的相互作用系

7、数（DPDinteractionparameter）是由内在的原子之间的相互作用决定的，在DPD方法中表现为DPD粒子之间的相互作用。AmiteshMaiti等人15提出，DPD的作用系数和DPD粒子的尺寸有关。接触角是衡量材料表面性能的一个重要参数，通过测量接触角可获得不同物质在界面之间相互作用的很多信息。国内外的学者们对接触角的测量以及性质也已经有了一些成熟的研究。DeckerE等人16对宏观和微观的接触角提出了合适的定义，并且给出了部分测量接触角的方法。MarmurA等人17总结了测量接触角方法的一些缺陷，并指出了如何规避这些缺陷。S

8、aeidVafaei等人18更是研究出了与体积无关的更加可以准确反映物性的渐近接触角。宁乔等人19利用照相机捕捉到的液滴灰度图像，利用边界提取等方法得到液滴的轮廓，采用轮廓拟合的