第九章耗散粒子動力學(xué)方法

1、廿算機在腐蝕防護中的應(yīng)用耗散粒子動力學(xué)(DPD )屮圖石油丈修內(nèi)容提要O DPD爍歷史 a DPD基本原理 e DPD基本操作DPD應(yīng)用舉例DPD發(fā)展歷史| 2001年P(guān)agonabarraga提出一種多體DPD方法。i!-i2003年Groot將靜電作用引入DPD模擬。發(fā)龜提叫:1992年，Hoogerbnigge 和 Koelman 在結(jié)合分子動力學(xué)和氣體格子法 i的住;點鬲基礎(chǔ)丄，找到了 一個能 i夠在介觀的時間與空間尺度上模I擬復(fù)雜流體的方法。DPD方法OM MMOM MMOM MMMM MMOM MMMM MMOM MMOM MMOM MMOM MMMM MMOM MMMM MMOM

2、 MMMMOM MB « «»1理論基礎(chǔ)EM譯Esjpanol和帀arLn矗由帀3審?fù)鹁€另亦” 隨機力中的權(quán)函數(shù)必須滿足漲落一耗散定理。1997年Groot和Warren通過自由能將高分子系 統(tǒng)的Flory-Huggins理論與DPD方法相聯(lián)系1999年、Coveney和Fabritiis將DPD粒子質(zhì)量和 大小定義成可變。卻蘭年groo迪壘回貿(mào)力麥舉想亙作擔(dān)參教上 2005Eric E. Keaveny蔣MD與DPD損菽扁頭旗。|DPD基本原理J基本概念:珠子（bead）丨多個原子或分子的集合體。I;截斷半徑(rc, cut-off radius)珠子的作用范圍

3、:I簡化單位用單個珠子的質(zhì)量、截斷半 徑作為單位量綱。如：r m m = rc m. DPD基本原理二.方法體系1、運動方程以及作用力運動方程:drdt 1m典*1 dt Jl水珠子DPD模擬j作用力：|介工俯+硝+硝）II,IHJ油 珠子1997年Groot和Warren通過自由能 將高小子系統(tǒng)的Flory-Huggins理論 .與DPD方法相聯(lián)系| 1995年 Espanol 和 Warren 提出 DPD 中耗散力和隨機力中的權(quán)函數(shù)必須11滿足漲落一耗散定理。|«MB MB * » 2004年Groot由界面張力獲取相互作用參數(shù)。|作用力：Fjj =勺(1 %)

4、69;山=工府+呼+畤)*曲誠 !A !I硝=電揚廠" I« «0 « MB MB «0 « MB * * » « «0 « MB «BB » «* MB < «0 « MB « a* « MB « * « MB « * «« «0 « MB « «M « O» « OM « MB* 

5、7; «0 « MB MM «0 » OB «V OB « «V OBMB « * « OBOB « OB « OV«Bi * «* «VOB OB « OB «W » * « » » » * MB «Three ForceDPD基本原理二.方法體系« «* MM« «* " «»2、數(shù)值積分方法修正的 Vc

6、locity-Verlet算法：I2I A = 0.65 II溫度穩(wěn)定效果較好Ila* M " * » M * » « » * » « » * M » * « «* « « » * » M " *« » *« »曲 + Ar) = r (r) + Arvz + -(Ar) Z(0vz (f + Af)=匕+幾側(cè)：X(r + Ar) = /(曲 + 4) 必(r + &)(r + Ar) =

7、 v(. (r) + Ar (/；. (r) + X (r + zr)覘機用騷需白勺在g亀應(yīng)祐另乗在紊二不時刻的位置和速度，然后再用新I 的位置和速度計算新的力，進而修正速度，每運行一步，力就更新一次。IDPD基本原理/亠工（時+時+硝）二.方法體系3、排斥力、耗散力和隨機力參數(shù)的選擇1排斥力：f管在DPD中它代表物理系統(tǒng)中原子和分子之間復(fù)雜作用力的全部?？梢酝ㄟ^DPD流體的狀態(tài)方程來確定排斥參量，在Materials Studio 中Amo卬hous Celk Blends> Discover等模塊配合使用可計算出排 斥力參數(shù)；通過試驗測量界面張力也可求得排斥力參數(shù)。耗散力：pD耗散力

8、和隨機力的值通過漲落耗散定理相關(guān)聯(lián),兩者中只能任 取一個，也就是說只設(shè)置耗散力參數(shù)。DPD基本操作定義珠子計養(yǎng)互WOHW11111IH1 111 11o排斥力、耗散力和隨機力參數(shù)排斥力參數(shù)：CLIT設(shè)置模擬環(huán)境（步長、溫度、盒子尺寸）排斥力參數(shù)的計算|模擬體系的相互作用與Flory-Huggins理論的映射相聯(lián)系DPD浚體廠倉由能r11bFlory-Huggins 理牝a可(/? = 3)= 25 + 3.50x(/IJ廠活1、最直接的方法是用Flory-Huggins模型關(guān)聯(lián)高分子系統(tǒng)的相平澎刖口 ,學(xué)性質(zhì)的實驗結(jié)果而得到列參數(shù)；| Back* MBa* MB « a* a* *

9、« * a* * « * » * « m* « * « m* a* * m * a* * « * a* * « * a* * «» * * * « * * * « m* * « * av * « * * * « m* a* * « * a* * « * a» * « m* a* * a* * « * * * MB * » * «» * a* * «b * *

10、 * a* « « m* mb * « * av * mb * a* * « * a* * « * a* * « * * * MB2、利用分子力學(xué)方法得到粗?；Ｗ酉到y(tǒng)的混合能而獲得知參數(shù)。與1 |!=Q dpd應(yīng)用舉例I DPD方法有助于解決在配方化學(xué)、藥物設(shè)計、高分子科學(xué)、化學(xué)工程涉及到的復(fù)| I雜問題。它為復(fù)雜流體的研究提供了強大的理論工具。目前已經(jīng)成功應(yīng)用于復(fù)雜流 I體的研究，如：油/水/表面活性劑體系、聚合物、膠體溶液的化學(xué)形態(tài)、微觀形貌、I i相分離和流體流變特性等方面的研究。flVMVflVflVMV»MV&#

11、187;»flV>(c) 2400個時間步(d) 3600個時間步非平衡態(tài)液滴的變形、破碎 盒裂回空或亟耳平衡態(tài)平衡態(tài)丄一一DPD應(yīng)用舉例I復(fù)雜流體中的聚合範(fàn)1、對復(fù)雜流體到暨刎空込 達平爲(wèi)態(tài)的模擬1包）多相流中聚合物的廠第嘉跖71和形貌變化-I其它方面J-I其它方面 亠DPD應(yīng)用舉例流両茫融懇嵌表面活性劑體積百分數(shù)40%30%10%一正十四烷基硫酸鈉STS聚集形態(tài) 一-g DPD應(yīng)用舉例y dpd應(yīng)用舉例1、對復(fù)雜流體到達平衡態(tài)的模擬g DPD應(yīng)用舉例g DPD應(yīng)用舉例8- 3.000-2250-1.500-7.500e-lJ- 0.000<a)(b)hydrogena

12、ted surfactantfluorinated surfactant氟表面活性劑聚集形態(tài)g DPD應(yīng)用舉例g DPD應(yīng)用舉例對復(fù)雜流體到達平衡態(tài)的模擬|表面活性劑復(fù)配機理圖一 界面張力隨混合表面活性劑濃 度變化圖圖二表面活性劑在界面聚集形態(tài)圖(a)單一表面活性劑，(b)兩種表面活性劑復(fù)配g DPD應(yīng)用舉例g DPD應(yīng)用舉例兩種表面活性劑復(fù)配使界面孔隙減少，可以更加有效地降低界面張力。Q DPD應(yīng)用舉例1、對復(fù)雜流體到達平衡態(tài)的模擬Fig. 6. Sectional views of morphologies of A5B5 in spheres with non-ncmral surfac

13、e= BB =25, gab =35. rjsN = 11°=70. Radius of sphere: (a)6. (b) 8 and (c) 10.Fig 2. Morphologies of A5B5 in spherical nanodroplcts with neutral surface aa = bb = 25.= 35"asN = 70 Radius of sphere: (a) 5, (b) 6, (c) 7. (d) 8,(e) 9 and (f) 10. (For interpretation of the references to colour i

14、n the text, the reader is referred lo the web version of the article.)DPD應(yīng)用舉例2對非平衡態(tài)下流動系統(tǒng)的模擬(a)初始時刻(b) 1000個時間步(c) 3200個時間步圖3流動過程中油珠的破裂(b)(J初始時刻(b) 1200個時間步S57m(c) 2400個時間步(d) 3600個時佃步圖5水流作用下無表面活性劑油珠在親水表面形態(tài)的演化圖4表面活性劑吸附引起的潤濕反轉(zhuǎn)(J初始時刻(b) 2800個時間步(c) 5 600個時阿步(d) 8400個時間步圖6水流作用下,右表面活性劑汕珠形態(tài)的演化y dpd應(yīng)用舉例舊麗麺懇冠菇麗蘇T?1020 M利用DPD模擬囊泡破裂過程DPD應(yīng)用舉例2、對非平衡態(tài)下流動 系統(tǒng)的模擬前甬DPD訴元了老纟田謚督審1 I紅細胞的疊積機理。|I5aa»MB» »» *»» *» «* MB* » MB* »» «* «» *«* *» *» MB« «