【摘要】：分形是非線性科學的重要內(nèi)容,分形結(jié)構(gòu)常具有自組織性和自相似性。分形凝聚是分形的重要研究課題之一,其廣泛存在于物理、化學、生物等領(lǐng)域中。對分形凝聚體的結(jié)構(gòu)特征及其凝聚動力學的研究逐漸受到人們的重視。在封閉的膠體懸液中,如果不考慮外界環(huán)境的影響,懸液中的粒子將因布朗運動發(fā)生碰撞并逐級凝聚,最后達到相應(yīng)的穩(wěn)態(tài)。但是自然界中的大部分系統(tǒng)并不是封閉的,而是常伴有物質(zhì)和能量的交換。比如體系水份蒸發(fā)、下滲、外緣電解質(zhì)加入、重力場的影響等均會影響凝聚體的結(jié)構(gòu)特征,甚至影響凝聚動力學過程。這種與外界有物質(zhì)和能量交換的系統(tǒng)常被稱為開放系統(tǒng)。在開放系統(tǒng)中,粒子的凝聚過程受各種因素的影響,而以往的研究常是在封閉體系中,考慮的影響因素單一,無法真實地解釋粒子運動規(guī)律。由于凝聚過程的隨機性,常規(guī)的試驗方法很難觀察到隨機現(xiàn)象背后的規(guī)律,如今計算機模擬已成為繼理論推導、試驗研究后的第三種科學研究方法。蒙特卡羅方法是一種適合模擬大規(guī)模量級粒子運動的計算機模擬方法。本文利用蒙特卡羅方法研究蒸發(fā)、下滲和重力影響下體系中粒子發(fā)生分形凝聚的條件及其凝聚動力學特征。相關(guān)成果如下:(1)基于晶格模擬體系,構(gòu)建了分形凝聚的統(tǒng)一模型,并對其進行了擴展以適用于開放體系。首先,將粒子的凝聚過程抽象為擴散和碰撞兩個步驟,并以此構(gòu)建分形凝聚的統(tǒng)一模型。其次,采用Java語言開發(fā)了對應(yīng)的模擬軟件,并利用Java3D技術(shù)實現(xiàn)了凝聚過程的可視化,并具有對凝聚過程進行實時統(tǒng)計的功能。最后,本文以該統(tǒng)一模型為基礎(chǔ),將粒子的擴散系數(shù)和凝聚概率設(shè)置為時間的函數(shù),構(gòu)建了適用于開放體系的概念模型。(2)以適用于開放體系的概念模型為基礎(chǔ)構(gòu)建了適用于蒸發(fā)體系的分形凝聚模型。在蒸發(fā)體系中,影響粒子運動的因素主要有兩個:粒子的布朗運動和由表層水蒸發(fā)導致的表層團簇的下降。研究結(jié)果表明,由布朗運動導致的團簇的隨機擴散和與表層團簇的下降作用具有競爭關(guān)系,在不同凝聚時期它們先后占據(jù)主導作用。在慢蒸發(fā)速率條件下,凝聚過程和基本凝聚模型相差不大,而在快蒸發(fā)速率條件下,蒸發(fā)對凝聚過程有明顯的加速作用。(3)以適用于開放體系的概念模型為基礎(chǔ)構(gòu)建了下滲體系的分形凝聚模型。在下滲體系中,影響粒子運動的因素也是兩個:粒子的布朗運動和溶劑流失帶動體系內(nèi)所有團簇向下運動,二者也存在競爭關(guān)系。研究結(jié)果表明,在快凝聚條件下,雖然小團簇有較大機會形成大團簇,但是隨著下滲速率的增大,流體帶動團簇下移的運動加劇,在垂直方向上將更大范圍地影響團簇運動。而在慢凝聚條件下,粒子運動幾乎由下滲主導,最終在底部形成一層致密的團聚體。(4)以適用于開放體系的概念模型為基礎(chǔ)構(gòu)建了重力場作用下的分形凝聚模型。本文以前人構(gòu)建的非晶格模擬體系的重力沉降模型為基礎(chǔ),考慮凝聚和沉降的競爭機制,構(gòu)建了適用于描述晶格模擬體系的重力沉降模型。結(jié)果表明團簇大小和佩克萊數(shù)的取值是影響重力沉降作用強弱的關(guān)鍵,團簇越大,受重力作用越明顯,佩克萊數(shù)越大,整個系統(tǒng)的重力沉降作用越明顯�？偟膩碚f,本研究構(gòu)建的蒙特卡羅模擬模型既適用于描述一般膠體系統(tǒng)的分形凝聚,也適用于描述開放體系中的分形凝聚,模型在蒸發(fā)、下滲和重力場模擬體系中的應(yīng)用,驗證了模擬軟件的可靠性與靈活性。本研究所提供的模擬軟件界面友好、交互性強,可為相關(guān)學者研究納米粒子體系的分形凝聚提供技術(shù)支撐。
【圖文】：

圖 2-3 二維非晶格 DLA 單體凝聚模型示意圖體模型為 Vold 模型。當單粒的平均自由粒以直線軌跡向凝聚體運動。與 DLA 模一個凝聚體的內(nèi)部。所以，最終形成的模型也有集團模型，其集團凝聚模型為 體模型為 Eden 模型。該模型與 DLA 模子之間發(fā)生碰撞即凝聚，，而 RLA 模型粒高凝聚概率的 RLA 模型和 DLA 模型相團聚體比 DLA 模型致密，因為低凝聚概容易進入已形成的團簇的內(nèi)部。同樣的，其為 RLCA 模型。集團模型可以被歸為：團簇-團簇凝聚模

西南大學碩士學位論文（3）模擬過程中數(shù)據(jù)的可視化提供可視化凝聚過程中的團簇狀態(tài)的功能，方便觀察凝聚的不同時刻系統(tǒng)中的團簇狀態(tài)圖。（4）模擬結(jié)果的保存模擬結(jié)束時，可將最終的凝聚結(jié)果導出，其包含聚集體所有粒子的信息。后續(xù)可以為開展其他研究工作提供服務(wù)，比如研究團聚體的分散問題時，可以導入該團簇的信息作為初始團簇。（5）團簇信息統(tǒng)計功能為研究凝聚過程中的動力學過程，模擬軟件統(tǒng)計體系中各級團簇和團簇重均的變化情況，提供展示模擬過程中各級團簇隨時間變化圖和團簇重均隨時間變化圖的功能。2. 模擬軟件主要界面展示（1）模擬軟件的主界面
【學位授予單位】：西南大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2019
【分類號】：O242.2;O552.6

【參考文獻】

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本文編號：2667329