耗散粒子动力学方法

1、耗散粒子动力学模拟(DPD)应用化工1252內容提與鼻DPD烁历史e DPD基本原理尋DPD基本操作DPD应用举例DPD发展历史: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flO MOMO MVMM MOMO MVMO MVMO MVMM MVMO MVMO MVMO MVMO MVMM MSMM MVMM MVMM MVAM aw flw1995# Espanol WarrenS 由 DPD 审另亦璽L力中的权函数必须满足涨落一耗散匡理。 1997年G

2、root和Warren通过自由能将高分子系j 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。1DPD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: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 = rcrn. MV MMMMMMMMMMMO MBMM« MM二.方法体系1、运动方程以及作用力运动方程:dv水珠子DPD模拟；油=珠子j作用力：|介工应+硝+硝）II,IHJ|作用力：Fq =勺(1

3、 ©)勺八工廐+時+硝)sG诚| ! lJA !Three Forcei硝=电疡严. |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。|«» MBMBMB MB «MB «2004年Groot由界面张力获取相互作用参数。|DPD基本原理二.方法体系I 2、数值积分方法修正的 Vclocity-Verlet算法： 2 /2 = 0.65I温度稳定效果较好Ila* M

4、 " * » M * » « » * » « » * M » * « «* « « » * » M " *« » *« »%(/ +山)= %(,) +加匕+刁(山)ZV/ (f + )=匕+几Mi£(T + Ar) = £ (W + 卜)，V/ (r + 卜)(r + Ar) = v;(r) +Ar (/；(?) + /； (r + Ar)i说两鬲疵孕禺岳禹希注亀应祐另乘耳紊

5、二不时刻的位置和速度，然后再用新I 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。DPD基本原理二.方法体系排斥力:I耗散力:FjD IH（時+時+硝） IHJ3、排斥力、耗散力和随机力参数的选择|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。 ABM MO MB MB ABO W MB MM flM MM MV MB MM flHV MB MM MM MM ABV MM MM MM MM MM MB ABV MB MV MM MM MB MV *> MM MV MO MB MM MB MB MB MB MB MS «* ABV MM MB MM

6、 MB MM MM om MM MV W MB MO AM ABM MB MM « MM MM MO MB MM MM «* MB W MB MB MB MM * OW W MB 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。耗散力和随机力的值通过涨落耗散定理相关联,两者中只能任I 取一个，也就是说只设置耗散力参数。I随机力：F,经验值作用参数II排斥力参数：4jWO排斥力、耗散力和随机力参数HT设置模拟环

7、境（步长、温度、 盒字尺寸）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r仓由能nj1hiFlory-Huggins 理牝 >dq (/? = 3)= 25 + 3.50旳X：IJBack1、最直接的方法是用Flory-Huggins模型关联高分子系统的相平邈弑学性质的实验结果而得到列参数；=n nacKR2、利用分子力学方法得到粗粒化粒子系统的混合能而获得©参数。勺 HDPD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

8、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、Ii相分离和流体流变特性等方面的研究。flVMVflVflVMV»MV»»flV>(c) 2400个时间步(d) 3600个时间步非平衡态DPD应用举例I复杂流体中的聚合1、对复杂流体到E空込达平衡态的模拟多相流中聚合物白玮态和形貌变化匕二二二二二二二二二二二二二二二二二二二二二二二二二二二二二二二二二二二二二二二二二二二二二二WuBRm I荧它方面平衡态平衡态_ 丄一一I其它方面 亠液滴的变形、破碎 盒裂KT回空或亟耳DPD应用举例i融蘇両辭祈恳碾in表面活性剂体积百分数10%

9、30%40%-一正十四烷基硫酸钠STS聚集形态DPD应用举例匚幷菇流両茫融旃藏-3.0002.2501.5007.500c-10.000<a)(b)hydrogenated surfactantfluorinated surfactant氟表面活性剂聚集形态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。DPD应用举例匚幷菇流両茫融旃藏-*(a)(b)(c)Fig. 6. Sectional vie

10、ws of morphologies of A5B5 in spheres with non-ncmral surface= BB =25, gab =35. rjsN = 11° <?BsN =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. ab = 35"asN = 70 Radius of sphere: (a) 5, (b) 6, (c) 7.

11、 (d) 8,(e) 9 and (f) 10. (For interpretation of the references to colour in 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) 2000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个时间步图4表面活性剂吸附引起的润湿反转(c) 2400个时间步(d) 3600个时间步图5水流作用下无表面活性剂油珠在亲水表

12、面形态的演化说於昧股減&拉(J初始时刻(b) 2800个时间步(c) 5600个时间步(d) S400个时间步图6水流作用下,右表面活性剂汕珠形态的演化DPD应用举例2、対聶車祈忌卞疣易索统禹漁菽I?1020 M利用DPD模拟囊泡破裂过程g DPD应用举例 瓜菇聶平衡志卞疣动 丨系统的模拟前甬DPD訴元了老纟田谥督审1 I红细胞的叠积机理。|I5aa»« «v MB» »» *» «*» *» «* MB* » MB* »» «* «» *«* *» *» MB« «* MB« » MB »DPD应用举例3其它方面