介观尺度液滴热毛细作用的耗散粒子动力学方法

Mesoscopic simulation of droplet thermocapillary phenomena will be carried out by combining multi-body dissipative particle dynamics and energy conservative dissipative particle dynamics. The relation between DPD parameters and temperature will be established, by which the liquid-vapor, liquid-solid and vapor-solid interfacial tension could be computed. Furthermore, the thermal fluctuations will be considered depending on the scale at which the model is operating, so as to reflect the effect of the level of coarse-graining on the thermal fluctuations. The effect of combined thermocapollary-bouyancy convection on the flow field inside the droplet with various sizes will be investigated, and it will be compared by experimental results. The thermocapillary migration of an attached drop on a solid surface with a temperature gradient will be simulated, in which the motion velocity of the droplet will be analyzed. The effect of topographies, wetting properties and contact angle hysteresis on drop thermocapillary migration will be discussed. The energy dissipation mechanism of droplet motion will be assessed, by which the "stick-slip" behavior of the droplet will be analyzed. The thinning and breakup of liquid jet at submicron level will be simulated. The effect of the temperature gradient between the vicinity of the contact line and the rest of the droplet on the formation of droplets will be investigated, and different kinds of pulse heating and asymmetrically heating at the nozzle will be analyzed. The proposal, by supplying with detailed mesoscopic DPD simulation information, will be aimed at understanding the fundamentals in terms of interface science research, development of MEMS devices etc.

本项目拟将多体耗散粒子动力学与能量守恒耗散粒子动力学相结合，针对介观尺度热毛细现象进行数值模拟研究。建立DPD系统关键参数与温度之间的依赖关系，有效反映液气、液固与气固界面张力；将系统的粗粒化尺度与热波动程度相联系，体现不同粗粒化尺度下不同热波动程度所起的作用；研究不同液滴尺寸条件下浮升力对流与热毛细对流共同作用对液滴内部复杂流场的影响，并与实验进行对照；研究具有温度梯度表面上液滴的热毛细迁移，阐述液滴的运动规律。研究微粗糙结构表面上粗糙形貌、浸润性、接触角滞后性对于液滴热毛细驱动的影响规律；探索液滴热毛细迁移过程中能量的耗散机制，解析液滴的“粘滞-滑移”行为；模拟亚微米尺度上液滴射流颈缩过程；研究在喷嘴部位液滴接触线附近温度梯度对于液滴生成过程的重要影响，以及不同形式的脉冲加热和非轴对称加热对液滴生成的影响。本项目拟为表面科学机理研究、微流体器件的研发等提供见解。

目前快速发展的微流体技术，包括气泡微加工、喷射微液滴等技术，被广泛拓展应用于医药、生物、微流体器件、MEMS、传感器等领域，展现出巨大的应用前景。上述技术的发展，迫切需要了解流体在微米尺度下的流动行为，这涉及介观尺度条件下各种类型的浸润特性、毛细效应、自由面现象、热输运过程等，以及其相互之间的复杂耦合作用。本课题开展了多体、能量守恒耗散粒子动力学研究，将多体耗散粒子动力学与能量守恒耗散粒子动力学相结合，建立了能量守恒多体耗散粒子动力学数值模型；分析了模型参数与温度之间的关系，获得了与真实流体相一致的流体粘度、自扩散率、导热率和表面张力等物性参数，验证了模型所得到的流体动量扩散、传热等性质。我们改进了热泊肃叶流动中的边界条件算法，解决了其中出现的不合理温度漂移问题；提出了一种新颖的热Lees-Edwards边界条件，为模拟热力耦合问题提供了一种新途径。此外，尝试采用反向传播神经网络(BPNN)模型结合高精度的数据库，对MDPD模型参数进行了映射研究。我们模拟了温度梯度表面上液滴自发运动行为；对加热板上固着液滴内部的浮力⁃Marangoni对流进行了讨论；实验研究了表面张力与浮升力共同作用下液滴内部流场，分析了不同液滴尺寸的影响。我们还发现热波动在液桥断裂过程中所起的重要作用；探索了液桥拉伸与接触线滑移之间的竞争对于液桥断裂行为的影响。我们数值模拟了连续喷墨和按需喷墨两种方式下，液柱射流断裂现象，探讨了流体物性、系统温度等对液柱断裂的影响。进一步，我们还针对复杂液滴撞击过程以及细胞迁移过程进行了研究。本项目可为表面科学、微流体器件中的复杂多物理耦合作用机理提供见解。