流体界面失稳的粒子动力学模拟与多尺度计算

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1、西北工业大学博士学位论文（学位研究生）流体界面失稳的粒子动力学模拟与多尺度计算作者:李阳贵学科专业:物理学指导教师:耿兴国西北工业大学理学院2017年05月PhDDissertationParticledynamicssimulationsfortheinstabilitiesoffluidinterfaceandmultiscalecomputationPhDCandidate:LiYangguiMajor:PhysicsSupervisor:GengXingguoSchoolofScience,Northwes

2、ternPolytechnicalUniversityXi’an,P.R.ChinaMay,2017摘要流体界面不稳定性在聚合物材料流态成型加工、发动机中油料雾化、流体漩涡和湍流形成机理等工程和科学技术领域具有十分重要的研究价值和科学意义。流体界面不稳定性的种类繁多，其中Rayleigh-Taylor不稳定性、Kelvin-Helmholtz不稳定性和Plateau-Rayleigh不稳定性等是典型且基本的类型。此外，由于密度流普遍存在于自然界和工业环境，其密度流锋面不稳定性也引起研究者广泛的关注。界面失稳过程往往

3、具有复杂、敏感和瞬时演化的特征，且多是实验难以精确观察和理论解析解缺失的关键转折阶段，但这也正是模拟计算最有价值的领域。目前，在流体界面失稳问题的数值模拟中，主要采用基于网格的数值方法，这需要借助额外的界面追踪技术来模拟流体界面，实施过程繁琐，而且很难刻画流体界面小尺度层次上的特征。为避免这些问题，本文采用粒子动力学方法从介观尺度层次上研究流体界面失稳问题。另外，聚合物流体的宏观流变特性与其内部介观分子结构密切相关。虽然采用介观粒子动力学方法可以捕捉这些小尺度信息，但是计算量太大，而计算效率高的宏观网格类方法无法直

4、接获得分子结构的演化细节。为此，本文将基于网格的有限元方法与耗散粒子动力学耦合，建立一种混合多尺度方法，该多尺度方法可以在刻画小尺度细节与计算量大的矛盾中取得较好的平衡。本文的主要研究工作为：1.为解决已有的有限伸展非线性弹性（FinitelyExtensibleNonlinearElastic，FENE）聚合物链模型没有考虑相邻珠子之间的弹性斥力的问题，提出了一个修正的FENE高分子链模型，修正的FENE模型描述了相邻珠子之间的弹性张力和弹性斥力，使得对高分子链的刻画更加完善。2.应用耗散粒子动力学（Dissip

5、ativeParticleDynamics，DPD）方法模拟Rayleigh-Taylor不稳定性的演化，在介观尺度层次上研究泡和尖钉的发展。3.采用DPD方法研究Kelvin-Helmholtz不稳定性问题，讨论相溶性、温度、剪切速度、密度比、聚合物浓度、链长、伸展性等因素对波浪与漩涡发展的影响。4.应用DPD方法模拟Plateau-Rayleigh不稳定性的演化过程；采用光滑粒子流体动力学（SmoothedParticleHydrodynamics，SPH）方法研究由Plateau-Rayleigh不稳定性引起

6、的射流失稳问题。5.采用DPD方法模拟密度流锋面不稳定性的发展过程，重点考察密度流头部及界面的动力学特征，并且研究聚合物浓度、链长、伸展性对密度流发展的影响。6.针对复杂流体的多尺度特性，提出一种耦合宏观连续模型和介观粒子离散模型的混合多尺度耗散粒子动力学方法（HybridMultiscaleDissipativeParticleDynamics，HMDPD），应用HMDPD方法及修正的FENE链模型研究模拟聚合物极稀溶液，揭示了高分子链在剪切作用下的构象变化和动力学行为特征。I关键词：界面不稳定性，耗散粒子动力学

7、，光滑粒子流体动力学，多尺度计算IIAbstractTheinterfaceinstabilityplaysanimportantroleintheareasofengineeringandscienceandtechnology,suchasthepolymermaterialsprocessing,enginefuelatomization,theformationmechanismofvortexandturbulence,etc,andithasaveryimportantvalueforresearcha

8、ndscientificsignificance.Therearemanytypesoffluidinstability,andtheKelvin-Helmholtzinstability,theRayleigh-TaylorinstabilityandthePlateau-Rayleighinstabilityaretheirfundamentalform