基于涨落-格子Boltzmann方法的微颗粒群运动特性研究

论文摘要

Janus颗粒是一种人工合成的微纳米颗粒,它由物理或化学性质不同的两部分所构成。Janus颗粒由于自身的非对称结构,可以将环境中的能量转化为自身的机械能,进而实现自我驱动。Janus颗粒的自驱动特性在微能源系统、药物靶向输运、生物趋向性、环境治理、自组装等领域具有巨大的应用潜力。对于微纳米尺度的Janus颗粒,在周围流体分子的不均衡碰撞作用下会进行永不停息的无规则运动,因此其实际运动为无规则布朗运动与自主运动的叠加。在实际的制备及应用过程中,Janus颗粒往往以群体形式存在,因此掌握其群体运动特性及运动过程中的相互作用机制是推广应用的重要基础。本文利用格子Boltzmann方法对群体性Janus颗粒的运动进行数值模拟,以探究其运动特性及相互作用机制。首先,采用格子Boltzmann方法对单颗粒、双颗粒、群体性颗粒重力作用下的自由沉降进行数值模拟。通过对单颗粒重力作用下自由沉降的模拟,并将模拟值与实验值进行对比,验证了LBM模型的正确性及半反弹边界条件处理流-固边界的有效性。通过对双颗粒及群体性颗粒重力作用下自由沉降的模拟,验证了所选用的颗粒碰撞模型的有效性,同时使我们对颗粒间的相互作用机制及群体运动特性有了初步的了解。其次,采用涨落-格子Boltzmann（FLB）方法对Janus颗粒的布朗运动进行了数值模拟。通过对单个球形Janus颗粒布朗运动的数值模拟,以及对其均方速度、均方角速度、均方位移、扩散系数等特征参数的分析,验证了FLB方法的有效性和准确性。随后,利用FLB方法对不同体积分数群体颗粒的布朗运动进行了模拟,发现群体颗粒的布朗运动仍满足能量均分定理,同时群体颗粒的平均扩散系数随体积分数的增大而减小。最后,采用FLB方法对Janus颗粒的自驱动进行了数值模拟研究。通过对单个球形Janus颗粒自驱动的模拟,并将模拟所得的均方位移、扩散系数结果与本课题组前期的实验结果进行对比分析,证实了FLB方法在模拟Janus颗粒自驱动时的有效性及准确性。随后,利用FLB方法对不同驱动力下的群体Janus颗粒运动进行了模拟。结果表明,群体Janus颗粒的自驱动与单个Janus颗粒的自驱动具有相似的运动特性。此外,对不同驱动力下平动特征时间的研究表明,随着扩散泳力的增大,颗粒由布朗运动阶段向定向运动阶段转换的也越快。

论文目录

• 摘要
• abstract
• 符号表
• 1 绪论
•   1.1 研究背景及意义
•     1.1.1 活性颗粒
•     1.1.2 群体性Janus颗粒的运动行为
•   1.2 国内外研究现状
•     1.2.1 Janus颗粒及其群体运动的研究现状
•     1.2.2 微颗粒运动数值模拟方法的研究现状
•   1.3 现有研究的不足之处
•   1.4 本文的研究内容及设计思路
• 2 格子Boltzmann方法的基本理论及程序验证
•   2.1 格子Boltzmann方法的起源及发展
•   2.2 格子Boltzmann方法
•     2.2.1 格子Boltzmann方法的基本模型
•     2.2.2 格子Boltzmann方法的边界格式
•     2.2.3 格子Boltzmann方法的计算步骤
•   2.3 颗粒运动的描述
•     2.3.1 颗粒运动方程
•     2.3.2 颗粒间的碰撞模型
•   2.4 格子Boltzmann方法的程序验证
•     2.4.1 单颗粒重力沉降模拟
•     2.4.2 双颗粒重力沉降模拟
•     2.4.3 群体性颗粒的重力沉降模拟
•   2.5 本章小结
• 3 微颗粒布朗运动的数值模拟
•   3.1 涨落-格子Boltzmann方法
•   3.2 布朗运动理论
•     3.2.1 郎之万方程
•     3.2.2 能量均分定理
•   3.3 单个球形颗粒布朗运动的数值模拟
•     3.3.1 数值模拟中的参数设置
•     3.3.2 模拟结果分析
•   3.4 群体球形颗粒布朗运动的数值模拟
•     3.4.1 数值模拟中的参数设置
•     3.4.2 模拟结果分析
•   3.5 本章小结
• 4 球形Janus颗粒自驱动的数值模拟
•   4.1 自驱动的相关参数及运动特性
•     4.1.1 均方位移和扩散系数
•     4.1.2 球形颗粒自驱动的运动特性
•   4.2 单个球形Janus颗粒自驱动的数值模拟
•     4.2.1 模拟中的参数设置
•     4.2.2 模拟结果分析
•   4.3 群体球形Janus颗粒自驱动的数值模拟
•     4.3.1 模拟中的参数设置
•     4.3.2 模拟结果分析
•   4.4 本章小结
• 5 结论与展望
•   5.1 主要结论
•   5.2 展望
• 致谢
• 参考文献

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 安康

导师: 张鸿雁,陈力

关键词: 颗粒,涨落格子方法,颗粒沉降,布朗运动,群体颗粒运动

来源: 西安建筑科技大学

年度: 2019

分类: 基础科学

专业: 力学

单位: 西安建筑科技大学

基金: 国家自然科学基金(11447133,11602187)

分类号: O347.7

DOI: 10.27393/d.cnki.gxazu.2019.000044

总页数: 68

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