第九章耗散粒子动力学方法

1、廿算机在腐蚀防护中的应用耗散粒子动力学(DPD )屮图石油丈修內容提要O DPD烁历史 a DPD基本原理 e DPD基本操作DPD应用举例DPD发展历史| 2001年Pagonabarraga提出一种多体DPD方法。i!-i2003年Groot将静电作用引入DPD模拟。发龜提叫:1992年，Hoogerbnigge 和 Koelman 在结合分子动力学和气体格子法 i的住;点鬲基础丄，找到了 一个能 i够在介观的时间与空间尺度上模I拟复杂流体的方法。DPD方法OM MMOM MMOM MMMM MMOM MMMM MMOM MMOM MMOM MMOM MMMM MMOM MMMM MMOM

2、 MMMMOM MB « «»1理论基础EM译Esjpanol和帀arLn矗由帀3审宛線另亦” 随机力中的权函数必须满足涨落一耗散定理。1997年Groot和Warren通过自由能将高分子系 统的Flory-Huggins理论与DPD方法相联系1999年、Coveney和Fabritiis将DPD粒子质量和 大小定义成可变。却兰年groo迪壘回贸力麦舉想亘作担参教上 2005Eric E. Keaveny蒋MD与DPD損菽扁头旗。|DPD基本原理J基本概念:珠子（bead）丨多个原子或分子的集合体。I;截断半径(rc, cut-off radius)珠子的作用范围

3、:I简化单位用单个珠子的质量、截断半 径作为单位量纲。如：r m m = rc m. DPD基本原理二.方法体系1、运动方程以及作用力运动方程:drdt 1m典*1 dt Jl水珠子DPD模拟j作用力：|介工俯+硝+硝）II,IHJ油 珠子1997年Groot和Warren通过自由能 将高小子系统的Flory-Huggins理论 .与DPD方法相联系| 1995年 Espanol 和 Warren 提出 DPD 中耗散力和随机力中的权函数必须11满足涨落一耗散定理。|«MB MB * » 2004年Groot由界面张力获取相互作用参数。|作用力：Fjj =勺(1 %)

4、69;山=工府+呼+畤)*曲诚 !A !I硝=电扬厂" I« «0 « MB MB «0 « MB * * » « «0 « MB «BB » «* MB < «0 « MB « a* « MB « * « MB « * «« «0 « MB « «M « O» « OM « MB* 

5、7; «0 « MB MM «0 » OB «V OB « «V OBMB « * « OBOB « OB « OV«Bi * «* «VOB OB « OB «W » * « » » » * MB «Three ForceDPD基本原理二.方法体系« «* MM« «* " «»2、数值积分方法修正的 Vc

6、locity-Verlet算法：I2I A = 0.65 II温度稳定效果较好Ila* M " * » M * » « » * » « » * M » * « «* « « » * » M " *« » *« »曲 + Ar) = r (r) + Arvz + -(Ar) Z(0vz (f + Af)=匕+几側：X(r + Ar) = /(曲 + 4) 必(r + &)(r + Ar) =

7、 v(. (r) + Ar (/；. (r) + X (r + zr)觇机用骚需白勺在g亀应祐另乗在紊二不时刻的位置和速度，然后再用新I 的位置和速度计算新的力，进而修正速度，每运行一步，力就更新一次。IDPD基本原理/亠工（時+時+硝）二.方法体系3、排斥力、耗散力和随机力参数的选择1排斥力：f管在DPD中它代表物理系统中原子和分子之间复杂作用力的全部。可以通过DPD流体的状态方程来确定排斥参量，在Materials Studio 中Amo卬hous Celk Blends> Discover等模块配合使用可计算出排 斥力参数；通过试验测量界面张力也可求得排斥力参数。耗散力：pD耗散力

8、和随机力的值通过涨落耗散定理相关联,两者中只能任 取一个，也就是说只设置耗散力参数。DPD基本操作定义珠子计养互WOHW11111IH1 111 11o排斥力、耗散力和随机力参数排斥力参数：CLIT设置模拟环境（步长、温度、盒子尺寸）排斥力参数的计算|模拟体系的相互作用与Flory-Huggins理论的映射相联系DPD浚体厂仓由能r11bFlory-Huggins 理牝a可(/? = 3)= 25 + 3.50x(/IJ厂活1、最直接的方法是用Flory-Huggins模型关联高分子系统的相平澎刖口 ,学性质的实验结果而得到列参数；| Back* MBa* MB « a* a* *

9、« * a* * « * » * « m* « * « m* a* * m * a* * « * a* * « * a* * «» * * * « * * * « m* * « * av * « * * * « m* a* * « * a* * « * a» * « m* a* * a* * « * * * MB * » * «» * a* * «b * *

10、 * a* « « m* mb * « * av * mb * a* * « * a* * « * a* * « * * * MB2、利用分子力学方法得到粗粒化粒子系统的混合能而获得知参数。与1 |!=Q dpd应用举例I DPD方法有助于解决在配方化学、药物设计、高分子科学、化学工程涉及到的复| I杂问题。它为复杂流体的研究提供了强大的理论工具。目前已经成功应用于复杂流 I体的研究，如：油/水/表面活性剂体系、聚合物、胶体溶液的化学形态、微观形貌、I i相分离和流体流变特性等方面的研究。flVMVflVflVMV»MV&#

11、187;»flV>(c) 2400个时间步(d) 3600个时间步非平衡态液滴的变形、破碎 盒裂回空或亟耳平衡态平衡态丄一一DPD应用举例I复杂流体中的聚合範1、对复杂流体到暨刎空込 达平爲态的模拟1包）多相流中聚合物的厂第嘉跖71和形貌变化-I其它方面J-I其它方面 亠DPD应用举例流両茫融恳嵌表面活性剂体积百分数40%30%10%一正十四烷基硫酸钠STS聚集形态 一-g DPD应用举例y dpd应用举例1、对复杂流体到达平衡态的模拟g DPD应用举例g DPD应用举例8- 3.000-2250-1.500-7.500e-lJ- 0.000<a)(b)hydrogena

12、ted surfactantfluorinated surfactant氟表面活性剂聚集形态g DPD应用举例g DPD应用举例对复杂流体到达平衡态的模拟|表面活性剂复配机理图一 界面张力随混合表面活性剂浓 度变化图图二表面活性剂在界面聚集形态图(a)单一表面活性剂，(b)两种表面活性剂复配g DPD应用举例g DPD应用举例两种表面活性剂复配使界面孔隙减少，可以更加有效地降低界面张力。Q DPD应用举例1、对复杂流体到达平衡态的模拟Fig. 6. Sectional views of morphologies of A5B5 in spheres with non-ncmral surfac

13、e= BB =25, gab =35. rjsN = 11°=70. Radius of sphere: (a)6. (b) 8 and (c) 10.Fig 2. Morphologies of A5B5 in spherical nanodroplcts with neutral surface aa = bb = 25.= 35"asN = 70 Radius of sphere: (a) 5, (b) 6, (c) 7. (d) 8,(e) 9 and (f) 10. (For interpretation of the references to colour i

14、n the text, the reader is referred lo the web version of the article.)DPD应用举例2对非平衡态下流动系统的模拟(a)初始时刻(b) 1000个时间步(c) 3200个时间步图3流动过程中油珠的破裂(b)(J初始时刻(b) 1200个时间步S57m(c) 2400个时间步(d) 3600个时佃步图5水流作用下无表面活性剂油珠在亲水表面形态的演化图4表面活性剂吸附引起的润湿反转(J初始时刻(b) 2800个时间步(c) 5 600个时阿步(d) 8400个时间步图6水流作用下,右表面活性剂汕珠形态的演化y dpd应用举例舊丽麺恳冠菇丽蘇T?1020 M利用DPD模拟囊泡破裂过程DPD应用举例2、对非平衡态下流动 系统的模拟前甬DPD訴元了老纟田谥督审1 I红细胞的叠积机理。|I5aa»MB» »» *»» *» «* MB* » MB* »» «* «» *«* *» *» MB« «