磁流体多相流界面效应及可控自组装机理研究

Self-assembly technology is a kind of manufacturing technology of micro and nanomaterials, which has made rapid progress in recent years. This project is intended to study the interfacial effect and self-assembly of magnetic micro and nanoparticles and liquid droplets in the magnetic multiphase flows, using theoretical analysis, experimental observation and numerical simulation, with the aims of understanding the mechanisms of the interface interaction and the flow control in the process of self-assembly of magnetic multiphase flows. The present research includes: 1) to establish a reliable magnetic multiphase flow modelling with consideration of multi-field coupling, moving contact line motion and wetting boundary conditions; 2) based on theoretical analysis, experimental observation and numerical simulation, we will investigate the effects of magnetic field strength, wettability, surface tension, magnetic viscosity and other parameters on the interface instability and self-assembly of magnetic multiphase flows, and reveal the interface interaction and self-assembly mechanisms of magnetic micro and nanoparticles and liquid droplets in the magnetic multiphase flows. This research is a frontier subject in the field of micro and nanomaterials fabrication and the results can provide theoretical and technical support for the design and fabrication of micro and nanomaterials.

自组装技术是近几年迅速发展并取得突破性进展的一种微纳米材料制造技术。本项目拟针对磁场作用下磁流体多相流中磁流体液滴、微纳米颗粒的可控自组装及相关界面效应问题进行研究。通过理论分析、实验观测和数值仿真探索自组装过程中发生的磁流体多相流交界面相互干扰机理及其相关流动控制机制。研究内容：1）建立具有多场耦合、移动接触线和润湿动边界的磁流体多相流物理模型，实现磁场作用下磁流体多相流自组装过程和相关界面演化的可靠性计算；2）通过磁场作用下磁流体多相流中磁流体液滴、微纳米颗粒的自组装及相关界面效应的实验观测和数值仿真，量化磁场施加方式、强度、湿润特性、表面张力、磁粘性等参数对磁流体多相流界面不稳定性和自组装的影响，探讨磁场作用下磁流体多相流中磁流体液滴、微纳米颗粒的自组装调控机制。此研究是微纳米材料制造技术领域的前沿课题，研究结果可以为磁性材料微纳米结构的设计制造等工程问题提供理论和技术支持。

自组装技术是近几年迅速发展并取得突破性进展的一种微纳米材料制造技术。本项目针对磁场作用下磁流体多相流中磁流体液滴、微纳米颗粒的可控自组装及相关界面效应问题进行研究。通过理论分析、实验观测和数值仿真探索自组装过程中发生的磁流体多相流交界面相互干扰机理及其相关流动控制机制。主要研究内容：1）建立具有多场耦合、移动接触线和润湿动边界的磁流体多相流物理模型，实现磁场作用下磁流体多相流自组装过程和相关界面演化的可靠性计算；2）通过磁场作用下磁流体多相流中磁流体液滴、微纳米颗粒的自组装及相关界面效应的实验观测和数值仿真，量化磁场施加方式、强度、湿润特性、表面张力、磁粘性等参数对磁流体多相流界面不稳定性和自组装的影响，探讨磁场作用下磁流体多相流中磁流体液滴、微纳米颗粒的自组装调控机制。.项目组经过四年系统研究，超额完成项目研究目标，并取得如下成果：.1)发展了一种针对多场耦合磁流体多相流问题的质量守恒格子玻尔兹曼数值算法；发展了一种针对多场耦合磁流体多相流问题的基于WENO格式的大密度比格子玻尔兹曼通量求解算法；发展了一种针对多场耦合磁流体流固干扰问题的基于分布函数修正的浸没边界简化格子玻尔兹曼方法；以上三种算法都已并行化，并在云计算平台上成功开展磁流体多相流动力学研究；.2)基于高速摄像、高分辨率显微镜和扫描电镜开发了多尺度磁流体实验观测技术，成功搭建了磁流体多相流自组装实验平台；.3)发现了磁场作用下磁流体多相流界面效应及相关自组装影响机理，阐明了相关流固和多场耦合动力学机理，揭示了磁流体液滴、微纳米颗粒自组装过程的调控机制。.4)开展了基于磁流体中非磁性微米级颗粒自组装的微型电开关设计、性能研究和原型开发。.5)基于以上成果，本研究项目在自然科学基金的支撑下，培养博士4名，硕士7名。目前共发表期刊论文15篇，会议论文1篇，其中SCI收录15篇，SCIE/ SSCI收录6篇。本项目共获授权专利7件，其中发明专利4件，实用新型专利3件。.此研究是微纳米材料制造技术领域的前沿课题，研究结果可以为磁性材料微纳米结构的设计制造等工程问题提供理论和技术支持。