介观尺度流固界面及动态毛细浸润现象的DPD研究

A mesoscopic fluid-solid interface model suitable for the study on dynamic capillary wetting phenomena by dissipative particle dynamics (DPD) will be explored. The dynamic capillary wetting phenomena such as forced wetting in a capillary slit and capillary impregnation in microtube will be simulated by DPD, in which the capillary wetting mechanism at a mesoscale will be analysed, and the effective ways of avoiding the stress singularity at the triple line will be considered. The capillary wetting processes of Non-Newtonian fluids consisting of finite extensible non-linear elastic (FENE) bead spring chains will be simulated, and the effects of FENE chain parameters will be investigated. The important role played by microstructured rough surfaces in the properties of capillary wetting phenomena will be studied, and the underlying physics will be probed from different topographies of microstructured surfaces. The repulsion behaviors of impacting droplets on mocrostrutured superhydrobic surfaces will be analysed, and the effects of different types of microstructure superhydarbic surfaces will be assessed. The fluid flow behaviors in microchannel network will be simulated, accounting for the influences of capillary wetting on the flow behaviors. 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 and design of anti-icing materials etc.

本项目拟探索适合动态毛细浸润现象研究的耗散粒子动力学（DPD）流固界面模型；利用DPD方法详细研究在动态条件下的毛细浸润现象，诸如微通道中液体的受迫流动以及毛细自动注入的动态过程等，阐述动态毛细、浸润现象的介观尺度作用机理，寻求避免液气固三相接触线应力奇异问题的依据；研究由有限拉伸非线性弹性（FENE）链构成的非牛顿流体的毛细浸润现象，讨论FENE链模型参数对非牛顿流体毛细浸润过程的影响。研究微结构粗糙表面对于液体毛细浸润特性所产生的重要作用，从各种不同拓扑形貌的微结构粗糙表面的形式中提取物理现象背后的主导因素。模拟液滴在不同的微结构粗糙表面上的碰撞、反弹行为，分析不同浸润性粗糙表面对于液滴碰撞、反弹的影响。模拟复杂微通道网络内的流体流动，讨论毛细浸润作用对于复杂微通道网络内流体流动行为的影响。本项目拟为表面科学机理研究、微流体器件的研发、防冰材料的设计等提供详细的介观尺度数值模拟信息。

针对液体在毛细管道内的运动以及液滴在固体表面上浸润、铺展过程的微尺度机理研究是微流体器件研发以及生物表面浸润性等领域研究的一个重要环节。毛细作用、浸润现象受界面力和流体自身表面力以及特殊的微纳米结构等多种因素的共同控制，显示出“多协同效应”的机制，其作用机理尚未完全清楚，迫切需要深入研究。本课题利用多体耗散粒子动力学（MDPD）方法，在介观尺度上针对流固界面以及与浸润密切相关的流体系统的动力学特性进行了数值模拟研究，阐述动态毛细、浸润现象的介观尺度作用机理。考察了MDPD方法模拟液气共存以及带有自由面流体的流动行为的能力，提出了适合MDPD进行浸润性研究的流固界面数值模型。通过不同的参数组合可以产生很大范围内变化的浸润性；模拟研究了牛顿及非牛顿液滴在复杂微粗糙通道内部的流动行为，以及液滴滚过光滑基底上分布的微柱状突起时的运动过程，讨论了微柱状突起其不同的浸润特性对于液滴运动的影响，研究结果支持目前国际上认为浸润是基于接触线的问题而非基于接触面积的问题的一种观点；对液滴撞击在粗糙结构表面上的动力学进行了MDPD数值模拟研究，分析了液滴在微结构粗糙表面上的碰撞、反弹行为所产生的重要影响；模拟研究了液滴滚过化学非均质表面以及几何粗糙所导致的非均质表面的过程，重点研究了液滴在上述两种非均质表面上所产生的特殊的“粘滞－滑移”运动现象，以及相应的液滴的接触点 “钉扎－脱钉”交替变化的过程。对液滴被吸入毛细管道的现象进行了研究。液滴在毛细管道中的运动方向不仅与管道表面的浸润性有关，而且还和液滴的半径有关。我们发现在特定的情况下，液滴在疏水性毛细管道内部运动比在亲水性管道内要快。研究了DPD基于CUDA平台的GPU并行计算的实施，验证了GPU计算结果的正确性，获得单卡约20倍的加速比。本项目可为表面科学机理研究、微流体器件的研发、防冰材料的设计等提供详细的介观尺度数值模拟信息。