带自由面流体的多体耗散粒子动力学模拟

周楠; 陈硕

doi:10.7498/aps.63.084701

摘要

利用多体耗散粒子动力学（MDPD）方法对介观尺度下液滴动力学进行了模拟分析. 探讨了MDPD系统中液气共存界面的形成，并对表面张力进行了模拟研究. 研究结果表明，MDPD方法形成的液气共存界面满足Laplace定律. 通过改变不同的粒子间保守力作用参数，获得了液滴在固体壁面上不同的接触角，并研究了保守力作用参数与接触角之间的变化规律. 进一步模拟了液滴在复杂微通道内的流动，研究结果有助于解释带自由面流体在粗糙表面上的运动行为.

关键词:

Abstract

The dynamics of a drop on a mesoscopic scale is investigated by using the many-body dissipative particle dynamic (MDPD) method. The formation of liquid-vapor coexistence interface in the MDPD system is explored. The simulations of the pressure inside/outside the drop and the surface tension are carried out, and it is verified that Laplace’s law is satisfied in our simulation. Different contact angles are obtained by changing conservative interaction parameters between particles. The relationship between MDPD paremeters and contact angles is discussed. Based on the results, the flow behaviors of a drop moving in grooved microcannels are simulated. The results in this paper are useful in studying the fluid with free surfaces flow behavior on rough surface.

Keywords:

many-body dissipative particle dynamics /
freesurface /
droplet /
static contact angle

作者及机构信息

周楠,
陈硕

1.
同济大学航空航天与力学学院, 上海 200092

基金项目: 国家自然科学基金（批准号：51276130，10872152）和高等学校博士学科点专项科研基金（批准号：20120072110037）资助的课题.

Authors and contacts

Zhou Nan,
Chen Shuo

1.
School of Aerospace Engineering and Applied Mechanics, Tongji University, Shanghai 200092, China

Funds: Project supported by the National Natural Science Foundation of China (Grant Nos. 51276130, 10872152) and the Specia-lized Research Fund for the Doctoral Program of Higher Education of China (Grant No. 20120072110037).

参考文献

[1]	Fan X J, Phan-Thien N, Chen S, Wu X, Ng T Y 2006 Phys. Fluids 18 063102
[2]	Yun K S, Cho I J, Bu J U, Kim C J, Yoon E 2002 J. Microelectromechanical. Sys. 11 454
[3]	Guo J H, Dai S Q, Dai Q 2010 Acta Phys. Sin. 59 2601 (in Chinese) [郭加宏, 戴世强, 代钦 2010 物理学报 59 2601]
[4]	Karniadakis G, Beskok A 2002 Micro Flows: Fundamental and Sinulation (New York: Springer.)
[5]	Gad-el-Hak M 2001 Mécaniq. Indust. 2 313
[6]	Alexander F J, Garcia A L 1997 Comput. Phys. 11 588
[7]	Cao L X, Wang C Y 2007 Acta Phys. Sin. 56 413 (in Chinese) [曹莉霞, 王崇愚 2007 物理学报 56 413]
[8]	Lim C Y, Shu C, Niu X D, Chew Y T 2002 Phys. Fluids 14 2299
[9]	Hoogerbrugge P J, Koelman J M V A 1992 Europhys. Lett. 19 155
[10]	Shi Z Y, Hu G H, Zhou Z W 2010 Acta Phys. Sin. 59 2595 (in Chinese) [石自媛, 胡国辉, 周哲玮 2010 物理学报 59 2595]
[11]	Cao B Y, Chen M, Guo Z Y 2006 Acta Phys. Sin. 55 5305 (in Chinese) [曹炳阳, 陈民, 过增元 2006 物理学报 55 5305]
[12]	Maesh C A 1998 Ph. D. Dissertation (London: University of Oxford)
[13]	Espanol P, Serrano M, Zuniga I 1997 Int. J. Modern Phys. C 8 592
[14]	Liu M B, Meakin P, Huang H 2007 J. Computational. Phys. 222 110
[15]	Liu M B, Meakin P, Huang H 2006 Phys. Fluids 18 017101
[16]	Liu M B, Meakin P, Huang H 2007 Phys. Fluids 19 033302
[17]	Chang J Z, Liu M B, Liu H T 2008 Acta Phys. Sin. 57 3954 (in Chinese) [常建忠, 刘谋斌, 刘汉涛 2008 物理学报 57 3954]
[18]	Wang X L, Chen S 2010 Acta Phys. Sin. 59 6778 (in Chinese) [王晓亮, 陈硕 2010 物理学报 59 6778]
[19]	Zhang M K, Chen S, Shang Z 2012 Acta Phys. Sin. 61 034701 (in Chinese) [张明焜, 陈硕, 尚智 2012 物理学报 61 034701]
[20]	Pagonabarraga I, Frenkel D 2001 J. Phys. Chem. 115 5015
[21]	Li Z, Zhou Z W, Hu G H 2012 J. Adhes. Sci. Technol. 26 1883
[22]	Espanol P, Warren P 1995 Europhys. Lett. 30 191
[23]	Arienti M, Pan W, Li X, Karniadakis G 2011 J. Chem. Phys. 134 204114

施引文献

[1]	Fan X J, Phan-Thien N, Chen S, Wu X, Ng T Y 2006 Phys. Fluids 18 063102
[2]	Yun K S, Cho I J, Bu J U, Kim C J, Yoon E 2002 J. Microelectromechanical. Sys. 11 454
[3]	Guo J H, Dai S Q, Dai Q 2010 Acta Phys. Sin. 59 2601 (in Chinese) [郭加宏, 戴世强, 代钦 2010 物理学报 59 2601]
[4]	Karniadakis G, Beskok A 2002 Micro Flows: Fundamental and Sinulation (New York: Springer.)
[5]	Gad-el-Hak M 2001 Mécaniq. Indust. 2 313
[6]	Alexander F J, Garcia A L 1997 Comput. Phys. 11 588
[7]	Cao L X, Wang C Y 2007 Acta Phys. Sin. 56 413 (in Chinese) [曹莉霞, 王崇愚 2007 物理学报 56 413]
[8]	Lim C Y, Shu C, Niu X D, Chew Y T 2002 Phys. Fluids 14 2299
[9]	Hoogerbrugge P J, Koelman J M V A 1992 Europhys. Lett. 19 155
[10]	Shi Z Y, Hu G H, Zhou Z W 2010 Acta Phys. Sin. 59 2595 (in Chinese) [石自媛, 胡国辉, 周哲玮 2010 物理学报 59 2595]
[11]	Cao B Y, Chen M, Guo Z Y 2006 Acta Phys. Sin. 55 5305 (in Chinese) [曹炳阳, 陈民, 过增元 2006 物理学报 55 5305]
[12]	Maesh C A 1998 Ph. D. Dissertation (London: University of Oxford)
[13]	Espanol P, Serrano M, Zuniga I 1997 Int. J. Modern Phys. C 8 592
[14]	Liu M B, Meakin P, Huang H 2007 J. Computational. Phys. 222 110
[15]	Liu M B, Meakin P, Huang H 2006 Phys. Fluids 18 017101
[16]	Liu M B, Meakin P, Huang H 2007 Phys. Fluids 19 033302
[17]	Chang J Z, Liu M B, Liu H T 2008 Acta Phys. Sin. 57 3954 (in Chinese) [常建忠, 刘谋斌, 刘汉涛 2008 物理学报 57 3954]
[18]	Wang X L, Chen S 2010 Acta Phys. Sin. 59 6778 (in Chinese) [王晓亮, 陈硕 2010 物理学报 59 6778]
[19]	Zhang M K, Chen S, Shang Z 2012 Acta Phys. Sin. 61 034701 (in Chinese) [张明焜, 陈硕, 尚智 2012 物理学报 61 034701]
[20]	Pagonabarraga I, Frenkel D 2001 J. Phys. Chem. 115 5015
[21]	Li Z, Zhou Z W, Hu G H 2012 J. Adhes. Sci. Technol. 26 1883
[22]	Espanol P, Warren P 1995 Europhys. Lett. 30 191
[23]	Arienti M, Pan W, Li X, Karniadakis G 2011 J. Chem. Phys. 134 204114

[1]	冯山青, 龚路远, 权生林, 郭亚丽, 沈胜强. 纳米液滴撞击高温平板壁的分子动力学模拟. 物理学报, 2024, 0(0): 0-0. doi: 10.7498/aps.73.20240034
[2]	许晓阳, 周亚丽, 余鹏. eXtended Pom-Pom黏弹性流体的改进光滑粒子动力学模拟. 物理学报, 2023, 72(3): 034701. doi: 10.7498/aps.72.20221922
[3]	秦威广, 王进, 纪文杰, 赵文景, 陈聪, 蓝鼎, 王育人. 液-液驱替动力学研究. 物理学报, 2022, 71(6): 064701. doi: 10.7498/aps.71.20211682
[4]	杨亚晶, 梅晨曦, 章旭东, 魏衍举, 刘圣华. 液滴撞击液膜的穿越模式及运动特性. 物理学报, 2019, 68(15): 156101. doi: 10.7498/aps.68.20190604
[5]	叶学民, 张湘珊, 李明兰, 李春曦. 液滴在不同润湿性表面上蒸发时的动力学特性. 物理学报, 2018, 67(11): 114702. doi: 10.7498/aps.67.20180159
[6]	郑监, 张舵, 蒋邦海, 卢芳云. 气泡与自由液面相互作用形成水射流的机理研究. 物理学报, 2017, 66(4): 044702. doi: 10.7498/aps.66.044702
[7]	梁宏, 柴振华, 施保昌. 分叉微通道内液滴动力学行为的格子Boltzmann方法模拟. 物理学报, 2016, 65(20): 204701. doi: 10.7498/aps.65.204701
[8]	林林, 袁儒强, 张欣欣, 王晓东. 液滴在梯度微结构表面上的铺展动力学分析. 物理学报, 2015, 64(15): 154705. doi: 10.7498/aps.64.154705
[9]	王宇翔, 陈硕. 微粗糙结构表面液滴浸润特性的多体耗散粒子动力学研究. 物理学报, 2015, 64(5): 054701. doi: 10.7498/aps.64.054701
[10]	刘云龙, 汪玉, 张阿漫. 有倾角的竖直壁面附近气泡与自由面相互作用研究. 物理学报, 2013, 62(21): 214703. doi: 10.7498/aps.62.214703
[11]	李大鸣, 王志超, 白玲, 王笑. 液滴撞击孔口附近壁面运动过程的模拟研究. 物理学报, 2013, 62(19): 194704. doi: 10.7498/aps.62.194704
[12]	苏铁熊, 马理强, 刘谋斌, 常建忠. 基于光滑粒子动力学方法的液滴冲击固壁面问题数值模拟. 物理学报, 2013, 62(6): 064702. doi: 10.7498/aps.62.064702
[13]	马理强, 刘谋斌, 常建忠, 苏铁熊, 刘汉涛. 液滴冲击液膜问题的光滑粒子动力学模拟. 物理学报, 2012, 61(24): 244701. doi: 10.7498/aps.61.244701
[14]	马理强, 常建忠, 刘汉涛, 刘谋斌. 液滴溅落问题的光滑粒子动力学模拟. 物理学报, 2012, 61(5): 054701. doi: 10.7498/aps.61.054701
[15]	张阿漫, 王超, 王诗平, 程晓达. 气泡与自由液面相互作用的实验研究. 物理学报, 2012, 61(8): 084701. doi: 10.7498/aps.61.084701
[16]	石自媛, 胡国辉, 周哲玮. 润湿性梯度驱动液滴运动的格子Boltzmann模拟. 物理学报, 2010, 59(4): 2595-2600. doi: 10.7498/aps.59.2595
[17]	郭加宏, 戴世强, 代钦. 液滴冲击液膜过程实验研究. 物理学报, 2010, 59(4): 2601-2609. doi: 10.7498/aps.59.2601
[18]	王晓亮, 陈硕. 液气共存的耗散粒子动力学模拟. 物理学报, 2010, 59(10): 6778-6785. doi: 10.7498/aps.59.6778
[19]	朱如曾, 闫红, 王小松. 关于固体表面上液体球冠的平衡条件问题——兼评“冷凝器壁面滴状冷凝的热力学机理及最佳接触角”等文章. 物理学报, 2010, 59(10): 7271-7277. doi: 10.7498/aps.59.7271
[20]	张阿漫, 姚熊亮. 近自由面水下爆炸气泡的运动规律研究. 物理学报, 2008, 57(1): 339-353. doi: 10.7498/aps.57.339

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