本文關(guān)鍵詞：流場中微納顆粒受力特性的分子動力學(xué)模擬研究，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

《浙江大學(xué)》 2015年

流場中微納顆粒受力特性的分子動力學(xué)模擬研究

楊梁  

【摘要】：徼納顆粒兩相流普遍存在于自然界中,并在材料、化工、環(huán)境、食品等行業(yè)有著非常廣泛的應(yīng)用。但同時許多問題比如霧霾、汽車尾氣、疾病傳播等都與納微顆粒息息相關(guān),無論對于如何防止納微顆粒對我們造成的傷害還是如何有效利用納微顆粒,都要求我們能準(zhǔn)確地掌握其動力學(xué)特性。而顆粒受力作為顆粒動力學(xué)的基本特性,直接決定了顆粒的運(yùn)動規(guī)律。本文采用分子動力學(xué)方法,基于GPU的CUDA編程,對處于靜止流場及穩(wěn)定流動流場中的顆粒受力情況進(jìn)行數(shù)值模擬研究。對于靜止流場,即顆粒做布朗運(yùn)動時,采取調(diào)整流場中氣體分子數(shù)目來控制克努森數(shù)(Kn)的變化,在不同的Kn下統(tǒng)計(jì)顆粒的受力大小。通過頻譜分析,我們發(fā)現(xiàn)顆粒受力體現(xiàn)出了“優(yōu)先頻率”的特征,即顆粒受力集中在一定的頻段上。同時顆粒受力也體現(xiàn)出了明顯的尺寸效應(yīng)：隨著Kn的減小,顆粒受到氣體分子作用力經(jīng)歷了逐漸增大到峰值又逐漸減小的規(guī)律。這種顆粒受力的尺寸效應(yīng)對于非均勻顆粒而言,將直接影響其運(yùn)動型態(tài),這與已有的文獻(xiàn)中記載的顆粒運(yùn)動特征吻合。對于穩(wěn)定流動流場中的目前常用的微納顆粒在流場中受力的計(jì)算通常采用對斯托克斯公式進(jìn)行修正的方法,已有的針對稀薄效應(yīng)的修正因子經(jīng)驗(yàn)公式(Cunningham修正公式)是在高速流場中實(shí)驗(yàn)得到,是否適用低速流場有待檢驗(yàn),但在實(shí)際情況中,納微尺寸的顆粒在自然運(yùn)動狀態(tài)下通常是處于低速流動(氣體與顆粒的相對速度)狀態(tài)的。本文首先研究了高速流場中顆粒的受力,得到了與采用經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算符合非常良好的結(jié)果；但對于低速流動的情況而言,已有的針對高速流場的經(jīng)驗(yàn)公式并不能很好地適用。本文根據(jù)模擬結(jié)果擬合了微納顆粒受力的斯托克斯公式修正因子,拓展了該公式在低速過渡流中的適用情況,以此作為生產(chǎn)實(shí)踐的參考。由于研究模型中分子數(shù)目較多,相互作用力的計(jì)算量隨著分子數(shù)的增加呈幾何增長,故本文利用GPU強(qiáng)大的數(shù)據(jù)傳輸能力和并運(yùn)行算能力,采取基于CUDA的編程模式加快了模擬速度,使可模擬的分子數(shù)和時間大大增加。

【關(guān)鍵詞】：
【學(xué)位授予單位】：浙江大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：O359
【目錄】：

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