用于微尺度流动的连续介质-分子动力学分区耦合算法研究

来源 :中国科学院力学研究所 | 被引量 : 0次 | 上传用户:cykic
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随着人们对微尺度现象的关注,关于微流动的研究逐渐成为热点。微流动中往往包含着从连续尺度到原子尺度的现象,因此连续假设下的传统算法也在经受考验。   本文发展了一种用于微尺度流动的连续介质-分子动力学分区耦合算法,即在连续介质描述适用的区域用Navier-Stokes方程求解,在离散描述的区域用分子动力学求解,两种描述方法得到的结果在重叠区域进行匹配,实现在两区交界面处质量、动量及其通量的连续性。这种算法能够克服传统连续介质力学的局限性,同时与单纯的分子动力学模拟相比,由于在大部分计算区域采用了连续介质描述,这种算法又能大大节约时间,因此它是一种优化的描述方法。   耦合算法中重叠区域的匹配实际上是两种描述方法的信息传递过程。我们通过对重叠区的粒子进行约束来实现信息从大尺度向小尺度的传递。在以往的模型中,往往存在经验参数,比如耦合系数、特定的时间步长比等,本文中我们发展了动力Langevin模型来实现重叠区的耦合。在我们的模型中,约束力的强度由计算过程中速度匹配情况决定,在不同的时间、不同的位置约束力可以不同。   我们应用耦合算法计算了不同边界条件下微管道中突然启动的考艾特流动。从计算结果看出:在无滑移边界条件下,耦合算法得到的速度剖面随时间的发展过程与解析解完全一致;在滑移边界条件下,耦合算法能精确地反映液固界面处的滑移情况,其得到的结果和单纯分子动力学模拟得到的结果一致。这验证了耦合算法的正确性,并且预见了其在微尺度流动中广阔的应用前景。
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