[Article]
https://www.doczj.com/doc/b918332230.html,
物理化学学报(Wuli Huaxue Xuebao )
Acta Phys.-Chim.Sin .,2010,26(1)：57-65
January Received:August 26,2009;Revised:October 15,2009;Published on Web:December 1,2009.
*
Corresponding author.Email:hwen@https://www.doczj.com/doc/b918332230.html,;Tel:+86-10-62626704.
The project was supported by the National Natural Science Foundation of China (20776141)and Foundation for Innovative Research Groups of the National Natural Science Foundation of China (20821092).
国家自然科学基金(20776141)及国家自然科学基金创新研究群体科学基金(20821092)资助项目
鬁Editorial office of Acta Physico -Chimica Sinica
重质油胶体聚集结构的耗散粒子动力学模拟
张胜飞1,2
孙丽丽1,2徐俊波1周涵3
温浩1,*
(1中国科学院过程工程研究所多相复杂系统国家重点实验室,北京100190;2
中国科学院研究生院,北京100049;
3
中国石油化工股份有限公司石油化工科学研究院,北京100083)
摘要：重质油是以沥青质为胶核分散于饱和油分中形成的极其复杂的胶体体系.本文采用耗散粒子动力学
(DPD)方法研究重质油的胶体结构及其影响因素.根据重质油各组分的分子结构特征,构建了描述重质油组分的粗粒化模型化合物.模拟结果表明,本文构建的粗粒化模型能很好地反映重质油的胶体聚集结构.沥青质分子结构对胶体聚集结构有序性有显著影响,较高稠合程度的芳香环结构将使胶束结构有较高的有序性,烷基侧链则表现出分散作用.重质油中的胶质具有胶溶作用,胶质与沥青质的浓度比存在一个极限,当小于这个极限时,重质油将出现聚沉.
关键词：重质油;胶体;多分散体系;自缔合;超分子结构;聚集结构;耗散粒子动力学中图分类号：O641;O648;O643
Dissipative Particle Dynamics Simulations on the Structure of Heavy Oil Aggregates
ZHANG Sheng -Fei 1,2
SUN Li -Li 1,2
XU Jun -Bo 1
ZHOU Han 3
WEN Hao 1,*
(1State Key Laboratory of Multi -Phase Complex System,Institute of Process Engineering,Chinese Academy of Sciences,Beijing 100190,P.R.China ;2Graduate University of Chinese Academy of Sciences,Beijing 100049,P.R.China ;
3
Research Institute of Petroleum Processing,SINOPEC,Beijing 100083,P.R.China )Abstract ：Heavy oil is an extremely complex colloidal system where asphaltenes,as the core of micelles,are dispersed in the continuous phase of other saturated fractions.We used dissipative particle dynamics (DPD)to simulate the mesoscopic colloidal structure of heavy oil and to determine its effective factors.Coarse -grained DPD model molecules were constructed in accordance with molecular structures of the component fractions in heavy oil.A modification of the standard DPD program was used to calculate the motion of rigid polycyclic aromatic rings.The simulations show that the coarse -grained DPD models used in this paper predict the colloidal structure of heavy oil well.The ordered structure of micelles depends greatly on the molecular structure of asphaltenes.Higher ordered micelles contain highly fused aromatic rings whereas the alkyl side -chains exhibit dispersing behavior.Deflocculation of the resins was observed in the simulations.A critical concentration ratio for the resin and asphaltene exists.The coagulation of heavy oil occurs when the concentration ratio of resin and asphaltene is less than this critical value.Key Words ：Heavy oil;Colloid;Polydispersed system;Self -association;Supermolecular structure;
Aggregate structure;Dissipative particle dynamics
人们已经认识到重质油是一种极其复杂的高粘度多分散体系[1],当温度、压力、组成发生改变或混
入其他油品时,易出现相分离而发生聚沉.重质油组
分的结构特征和聚集行为,对重质油的开采、输送和
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Acta Phys.-Chim.Sin.,2010Vol.26
炼制提出了严峻的挑战.因此,认识重质油胶体聚集结构及其形成机理对重质油资源的利用具有重要的意义.
重质油中的组分可按极性强弱分为沥青质、胶质、芳香分和饱和分[2].其中,沥青质是重质油中分子量最大、极性最强的组分,它的结构和组成在很大程度上决定了重质油的流变性、相分离、原油乳状液稳定性[3]、催化剂中毒[4]、浸润性[5]等性质.沥青质有很强的自缔合倾向,沥青质在甲苯等溶剂中的浓度超过CNAC(critical nanoaggregate concentration)时,即可出现聚集现象[6],这是重质油最显著的特征之一,也是人们认识重质油的基础.根据Yen模型[7],天然重质油中会形成以沥青质缔合体为核心,部分胶质吸附于胶核周围参与形成胶体分散相,其他胶质按一定的浓度梯度分布在连续相中形成胶体分散体系.
曾有学者尝试采用分子动力学方法分析重质油胶体体系的聚集-分散机理.Pacheco-S觃nchez等[8]通过对4种不同的沥青质模型分子的几何结构优化,获得了与Yen模型吻合的沥青质聚集结构,同时发现沥青质分子之间存在面对面型、T型和π型三种空间取向.Kuznicki等[9]研究了大陆型和海岛型沥青质模型分子在甲苯、水、正庚烷中的聚集结构,发现含带电基团的模型分子易于在油水界面上吸附.分子动力学自身的局限性使其只适用于规模较小的体系,对于复杂庞大的重质油体系则难以进行模拟,目前也未见有关的文献报道.Aguilera-Mercado等[10]曾采用Monte Carlo方法在介观水平上模拟沥青质和胶质在溶剂中的聚集行为,但因其将稠合芳香环结构均粗粒化为单个粒子,失去了分子的拓扑结构信息,阻碍了从模拟结果中获取更多的细节.
相对于分子动力学模拟,耗散粒子动力学(DPD)方法[11]简化了粒子间的相互作用,能够实现对更大时空尺度对象的模拟.DPD方法已成功地用于双嵌段共聚物[12]、星型共聚物[13]、表面活性剂[14]等体系的模拟.由于DPD模型分子中保留了原始分子的主要结构特征,有望用此方法获取更为丰富的重质油胶体聚集结构信息.本文参考重质油的组成及各组分的平均分子结构参数,构建重质油的DPD模拟体系,通过重质油胶体聚集结构的模拟及其与文献报道的比较,检验DPD模拟体系的合理性.在此基础上,进一步考察组分分子结构、浓度、相互作用、温度等因素对聚集结构的影响.1模拟方法说明
1.1模型分子选择及粗粒化
本文采用代表沥青质(asphaltene)、胶质(resin)、芳香分(aromatic)、饱和分(saturate)和其他轻质组分(light fraction)的五种模型分子共同表示重质油.文献中对重质油的模型分子结构曾有许多报道,这些模型分子结构都是根据测得的结构片段进行组装的结果,它们在某些方面的成功应用并不意味着它们具有通用性.Mullins[15]认为,沥青质的平均相对分子量约为750,用蒸汽压渗透法测得的是多个分子在缔合状态下的分子量.本文参考表1给出的我国主要重质油中沥青质、胶质、芳香分和饱和分的平均结构参数[16],选取相应组分模型分子结构.其中,沥青质的模型分子为大陆型,结构类似手形,以稠合芳香环为掌心,周围连接若干烷基链.
本文将三个亚甲基取为一个DPD粒子单元,将烷基链粗粒化为一个或多个用弹簧连接的粒子.由于稠合芳香环上离域π电子形成的共轭结构,使其成为呈现较强刚性的空间平面结构,分子动力学模拟的结果亦表现出这一特征[17].因此,本文采用如图1所示的刚体表示稠合芳香环结构片段,使刚体上的所有DPD粒子共面,并在模拟过程中保持相对位置不变.
需要指出的是,对于稠合芳香环结构片段,本文并未采用常规粗粒化方法[18],即由实际分子结构一一对应划分DPD粒子的方法,这也是处理稠合芳香环中有大量融碳、内碳带来的困难.这样处理后的DPD模型分子在拓扑结构上保留了稠合芳香环的基本结构特征,同时其粗粒化程度亦能保持与普通烷基链相同的水平.处在刚体结构上的粒子与其他粒子之间的相互作用等同于普通DPD粒子,只是在运动处理时视为刚体.本文将刚体片段的运动分为平动和绕过质心的瞬时转轴的转动,运动迭代采取规避奇异点的四元组方法[19].为简化模拟对象,本文表1中国主要重质油的四组分平均结构参数[16]
Table1Average structure parameters of four compounds of main crude oil in China[16]
a separated by n-heptane;N H/N C:number ratio of hydrogen and carbon
atoms;M W:average relative molar weight;R A:number of aromatic
rings;L P:average length of alkyl side-chains Component N H/N C M W R A L P saturate 1.9-2.0600-9000-aromatic 1.5-1.7700-11002-44-7
resin 1.4-1.5700-12005-74-5 asphaltene a 1.1-1.3800-12007-143-4
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No.1张胜飞等：重质油胶体聚集结构的耗散粒子动力学模拟图1稠合芳香环结构的粗粒化
Fig.1
Coarse -grained procedure of fused aromatic rings
将重质油中各组分的模型分子结构用A 、B 、C 三种DPD 粒子表示.其中,A 粒子代表模型分子中的稠合芳香环结构片段,B 粒子代表烷基链片段,C 粒子代表含杂原子的结构片段.
图2给出粗粒化后形成的沥青质、胶质、芳香分、饱和分和其他轻质组分的DPD 模型分子.表2给出上述各组分DPD 模型分子的结构参数.为清楚地展示重质油的介观聚集结构,本文在进行可视化处理时,分别采用红色、绿色和蓝色标识A 粒子代表的芳香环片段.1.2模拟方案
参考标准DPD 模拟体系,本文主要采用的立方模拟盒子尺寸为20×20×20,模拟体系体相密度ρ=3,耗散力系数γ=4.5,随机力系数σ=3.0,DPD 温度T =1(DPD 中参数均为无因次的).模拟体系的初始状态为粒子随机放置,刚体的转动初速度为零.对每个模拟体系进行400000步模拟,相邻两步模拟之间的时间间隔△t 軃
=0.05.表3给出模拟中采用的粒子间保守力参数a ij 的取值.Groot 等[11]指出,模拟体系的体
相密度范围为3-5时,相同粒子间保守力参数的取值范围为25-15.由于稠合芳香环粒子A 的密度略高于平均值,本文将稠合芳香环粒子A 之间保守力
参数的值取为a AA =20.为考察稠合芳香环与烷基链之间的相互作用对聚集结构的影响,本文将稠合芳香环粒子A 与烷基链粒子B 间的保守力参数a AB 设为可调参数,取值范围为25-80.其余粒子间的保
守力参数值为在298K 下采用Material Studio ○R
的Blends 模块计算Flory -Huggins 参数χ,然后依据Groot 等[20]提出的关联关系获得.其中使用的Blends 方法结合了分子模拟技术与改进的Flory -Huggins 模型,常用于计算二元共混聚合物的相容性.本文设置了4组模拟体系,各模拟体系的具体说明示于表4.其中,第1组为模拟体系1-1-1-4,目的在于考察不同组分的聚集结构;第2组为模拟体系2-1-2-6,目的在于考察分子结构对重质油聚集结
图2粗粒化后的DPD 模型分子
Fig.2Coarse -grained DPD model molecules
表2DPD 模型分子的结构参数Table 2Structure parameters of DPD
model molecules
N P :number of alkyl side -chains;N HA :number of heteroatoms in aromatic ring;N HP :number of heteroatoms in alkyl side -chain
Component R A N P L P N HA N HP asphaltene 44221resin 24311aromatic 1431-saturate -19--light fraction
-1
2
--
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构的影响;第3组为模拟体系3-1-3-5,目的在于考察各组分的质量比对聚集结构的影响;第4组为模拟体系4-1-4-6,目的在于考察粒子间相互作用和环境温度对聚集结构的影响.
除用棒状模型显示稠合芳香环缔合形成的聚集结构外,本文采用球棍模型对模拟结果进行可视化处理.为突出显示聚集结构,模拟体系中的烷基侧
链、
饱和分及其它轻质组分均被隐去.2
结果与讨论
2.1
不同组分的聚集结构
在纯沥青质体系(模拟体系1-1)中,选取的体系粒子密度(ρd )为3,根据本文约定的粗粒化水平,相
应的DPD 单位长度[11]为R c =3.107(ρd N m )1/3,代入粗粒化水平N m =3和体系粒子密度ρd =3,得R c =6.46×10-10m,在本文中近似处理为6×10-10m.对应的体相密度为
ρ=m V =a ·b ·c ·ρd ·N m ·m 0
a ·
b ·
c ·R 3
c
=
3×3×146.02×1023×(6×10-10)
3=0.96(g ·cm -3)略小于实际沥青质的密度.上式中m 为模拟盒子内部的所有粒子的质量,V 为模拟盒子的实际体积,a 、b 、c 为模拟盒子的边长,m 0为单个亚甲基的质量.图3(a)为纯沥青质体系的模拟结果局部截图.其中,红色、银色和紫色分别代表沥青质分子中的稠合芳香环结构、烷基侧链和含杂原子基团.由图3(a)中可以看到,相互靠近的稠合芳香环上的含杂原子基团有对齐的趋势,而烷基侧链起到阻止稠合芳香环进一步靠近的作用.从图3(b)中可以更清楚地看出,三个甚至更多的稠合芳香环有聚集成有序结构的趋势,它们对应于图3(c)中的Yen 模型[7]晶粒.这些不同的有序体从不同的方向靠近,又呈现无序的状态.由于本模型中只使用一种模型分子,所以模拟结果表现出Yen 模型的部分结构特征.
图4为沥青质-正庚烷(模拟体系1-2)和胶质-正庚烷(模拟体系1-3)二元体系的模拟截图.图4(a)显示,加入正庚烷的沥青质呈凝胶态,主体结构呈现空间互联且非常紧凑,分散度较低.这种结构反映出沥青质与正庚烷的互溶性很差,容易出现相分离而发生聚沉,这正是实验室分离沥青质组分的常用方法.图4(b)显示,加入正庚烷的胶质呈溶胶态并有局部的小规模聚集,但整体分散性较高.这种结构反映出胶质与正庚烷有较好的互溶性,是正庚烷分离沥青质后的可溶质组分之一.模拟体系1-2和1-3的区别在于,沥青质分子中芳香环结构的稠合程度更高,稠合芳香环的烷基取代率较低,烷基侧链较短.显然,沥青质的分子结构不利于与正庚烷互溶,而长度适中的烷基侧链则是良好互溶的关键因素.
X 光衍射实验表明[20],沥青质分子易自缔合形成
表3模拟体系中粒子间的保守力参数(a ij )Table 3Conservative force parameters (a ij )in
simulation systems
A,B,and C represent different kinds of particles in DPD.Symbol i or j in a ij could be one of these three kinds of particles.
A
B C A 2025-8032B 25-802645C
32
45
12
表4模拟体系说明
Table 4Description of the schemes conducted in
this work
n -heptane is represented by the DPD model molecule of light fraction.
b
m represents the mass of the mentioned compound.Asph:asphaltene,Sat:saturate,Arom:aromatic
No.Simulation system
1-1pure asphaltene
1-2asphaltene+n -heptane a ,m Asph ∶m n -heptane =1∶2b 1-3resin+n -heptane a ,m Resin ∶m n -heptane =1∶2
1-4heavy oil,m Asph :m Resin :m Arom :m Sat :m Light =1∶3∶3∶2∶182-1heavy oil,m Asph :m Resin :m Aro m :m Sat :m Light =1∶3∶3∶2∶18L P =1in asphaltene
2-2heavy oil,m Asph ∶m Resin ∶m Arom ∶m Sat ∶m Light =1∶3∶3∶2∶18L P =3in asphaltene
2-3heavy oil,m Asph ∶m Resin ∶m Arom ∶m Sat ∶m Light =1∶3∶3∶2∶18L P =5in asphaltene
2-4heavy oil,m Asph ∶m Resin ∶m Arom ∶m Sat ∶m Light =1∶3∶3∶2∶18R A =3in asphaltene
2-5heavy oil,m Asph ∶m Resin ∶m Arom ∶m Sat ∶m Light =1∶3∶3∶2∶18R A =4in asphaltene
2-6heavy oil,m Asph ∶m Resin ∶m Arom ∶m Sat ∶m Light =1∶3∶3∶2∶18R A =5in asphaltene
3-1heavy oil,m Asph ∶m Resin ∶m Arom ∶m Sat ∶m Light =1∶3∶3∶2∶183-2heavy oil,m Asph ∶m Resin ∶m Arom ∶m Sat ∶m Light =1∶2∶3∶2∶193-3heavy oil,m Asph ∶m Resin ∶m Arom ∶m Sat ∶m Light =1∶1∶3∶2∶203-4heavy oil,m Asph ∶m Resin ∶m Arom ∶m Sat ∶m Light =2∶1∶6∶4∶413-5heavy oil,m Asph ∶m Resin ∶m Arom ∶m Sat ∶m Light =3∶1∶9∶6∶624-1heavy oil,m Asph ∶m Resin ∶m Arom ∶m Sat ∶m Light =1∶3∶3∶2∶18,a AB =254-2heavy oil,m Asph ∶m Resin ∶m Arom ∶m Sat ∶m Light =1∶3∶3∶2∶18,a AB =404-3heavy oil,m Asph ∶m Resin ∶m Arom ∶m Sat ∶m Light =1∶3∶3∶2∶18,a AB =804-4heavy oil,m Asph ∶m Resin ∶m Arom ∶m Sat ∶m Light =1∶3∶3∶2∶18,T =298K 4-5heavy oil,m Asph ∶m Resin ∶m Arom ∶m Sat ∶m Light =1∶3∶3∶2∶18,T =335K 4-6
heavy oil,m Asph ∶m Resin ∶m Arom ∶m Sat ∶m Light =1∶3∶3∶2∶18,T =375K
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No.1张胜飞等：重质油胶体聚集结构的耗散粒子动力学模拟
局部有序结构,即似晶缔合体.世界各地沥青质样品的似晶缔合体晶胞参数很相近,晶胞高度约为2 nm,芳香环平均直径介于0.8-1.5nm之间.本文构造的沥青质DPD模型分子(图2)的芳香环结构的直径约为1.56nm,略高于平均值.对重质油(模拟体系1-4)的模拟结果显示,相叠芳香环的层数在2-6之间,平均层数约为3,层间距约为0.6DPD单位长度(每DPD单位长度约为0.6nm[20,21]),相当于0.36nm,如图5所示.本文的模拟结果与文献[22]的报道十分接近.表5给出了重质油体系其它超分子结构参数同文献值的比较.
2.2分子结构对聚集结构的影响
2.2.1沥青质分子烷基侧链长度的影响
本文通过模拟体系2-1、2-2和2-3,考察沥青质分子烷基侧链长度对重质油聚集结构的影响(图6).
图3纯沥青质组分的聚集结构(a,b)及Yen模型(c)
Fig.3Structures of pure asphaltene aggregates(a,b)and Yen′s model(c)
(a)simulation system1-1;(b)simulation system1-1,without alkyl side-chain and heteroatoms shown;(c)by Yen′s model[7](A:crystallite,B:chain bundle,C:particle,D:micelle,E:weak link,F:gap and hole,G:intracluster,H:intercluster,I:resin,J:single layer,K:petroporphyrin,L:metal)
图4沥青质(a)和胶质(b)在正庚烷中形成的聚集结构
Fig.4Structures of asphaltene(a)and resin(b)aggregates in n-heptane
(a)simulation system1-2,(b)simulation system1-3
图5重质油中沥青质的稠合芳香环部分的超分子结构Fig.5Supermolecular structure of the fused
aromatic rings in heavy oil
表5重质油超分子结构参数文献值与计算值的比较Table5Comparison of supermolecular structure parameters between values reported in literature
and simulation results
N c:maximum layers of quasi-lattice asphaltene associates,
d M:distanc
e between layers o
f quasi-lattice asphaltene associates,
D a:average diameter of fused aromatic rings
N c d M/nm D a/d M Ref.[23] 5.2-8.00.355-0.365 2.240-4.314 this work5-60.36-0.48 3.03-3.07
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Acta Phys.-Chim.Sin.,2010
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图6(a-c)显示出沥青质分子烷基侧链长度L P 为1、3和5时重质油的聚集结构.图6(d)表明,随沥青质分子烷基侧链长度的增大,重质油体系中形成的胶束数增加,同时胶束的平均尺寸减小,重质油体系的分散性逐渐提高.模拟结果说明,在重质油形成的胶体分散体系中,烷基侧链将起到阻碍沥青质分子进一步聚集的分散作用.当烷基侧链长度从3(图6(b))增大到5(图6(c))时,烷基侧链的分散作用并不如从1(图6(a))增大到3时显著,表明长度为3的烷基侧链已经表现出较强的分散作用.这一点与两性表面活性剂的作用有相似之处,反映出重质油具有胶体体系的基本特征.沥青质烷基侧链长度与重质油分散性之间的关系暗示,重质油中若含有较长烷基侧链的沥青质,重质油体系将可能表现出较好的分散性.2.2.2沥青质分子芳香环稠合程度的影响
本文通过模拟体系2-4、2-5和2-6,考察沥青质分子芳香环稠合程度对重质油聚集结构的影响.图7(a-c)显示出沥青质分子稠合芳香环数R A 为3、4和5时重质油的聚集结构.图7(d)表明,重质油体系中的胶束数量随沥青质分子稠合芳香环数的增大而减少,相应的形成的胶束中的最大有序体数目将增大,这意味着胶束的局部有序性或缔合程度提高.相应地,重质油体系形成的胶束数逐渐减小,分散性降
低.沥青质稠合芳香环数与重质油分散性之间的关系表明,沥青质分子中芳香环稠合程度的提高,将促使重质油形成排列更为规整的、多层有序的稳定缔合结构.2.3
组分浓度对聚集结构的影响
本文通过模拟体系3-1-3-5,考察重质油中各组分浓度的变化将对重质油的聚集结构产生何种影响.为保证组分分子数不因组分浓度变化而变得过小,模拟中采用立方模拟盒子尺寸为30×30×30.
图8(a-e)给出重质油中组分浓度变化对重质油聚集结构的影响,图8(f)给出胶束数随重质油中沥青质与胶质浓度比(以m Asph /m Resin 表示)的变化关系.从图中可以看出,沥青质与胶质的浓度比上升将使重质油体系中形成的胶束数减少,胶束的聚集数提高,分散性变差.图中折线的变化趋势暗示在横轴接近1.0附近存在一个极限值,这个极限两侧分别对应良分散状态和局部聚集状态,甚至是聚沉的相分离状态,这是与部分文献中的观点相一致的[16].从模拟体系的聚集结构可以看出,胶质组分将吸附于构成胶核的沥青质表面,成为胶束的一部分,其他组分则构成胶体体系的连续相.这部分胶质的分布呈现一定的浓度梯度差,即靠近胶束的分布几率较高.此外,相对于沥青质来说,胶质与连续相组分的互溶性
图7不同稠合芳香环模拟体系(a-c)及沥青质分子稠合芳香环数(R A )对重质油中聚团数的影响(d)
Fig.7Simulation systems with different aromatic rings (a-c)and effect of the number of aromatic rings in
asphaltene (R A )on the number of micelles in heavy oil (d)
(a)simulation system 2-4(R A =3),(b)simulation system 2-5(R A =4),(c)simulation system 2-6(R A =5)
图6不同烷基侧链长度的模拟体系(a-c)及沥青质分子烷基侧链长度对重质油中聚团数的影响(d)
Fig.6Simulation systems with different lengths of alkyl side -chains (a-c)and effect of the length of
alkyl side -chain (L P )in asphaltene on the number of micelles in heavy oil (d)
(a)simulation system 2-1(L P =1),(b)simulation system 2-2(L P =3),(c)simulation system 2-3(L P =5)
(d)
(d)
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No.1张胜飞等：重质油胶体聚集结构的耗散粒子动力学模拟较好,吸附于沥青质分子表面的胶质将起到胶溶和改善分散性的作用.当胶质的浓度下降到不足以遮蔽沥青质分子时(图8(c)),沥青质将自发地发生进一步聚集.在此过程中,沥青质分子的稠合芳香环相互吸引,以最大限度地减少与周围连续相组分的接触表面.当沥青质分子达到较高的聚集程度,胶质将完全分散于连续相(图8(e)),说明沥青质分子缔合形成的有序结构将使稠合芳香环包裹在胶核的内
侧,同时使稠合芳香环上的烷基侧链更多地暴露于有序结构的外侧,这些烷基侧链倾向于将胶质推向连续相.
2.4粒子间相互作用和温度对聚集结构的影响2.4.1粒子间相互作用的影响
DPD 粒子间保守力参数a ij 取值的大小体现了粒子i 与粒子j 之间相互作用的性质.换言之,保守力参数a ij 体现了粒子i 与粒子j 所分别代表的实际
图8不同浓度模拟体系(a-e)及浓度比对重质油中聚团数的影响(f)
Fig.8
Simulation systems with different concentrations (a-e)and effect of the concentration on
the number of micelles in heavy oil (f)
(a)simulation system 3-1,(b)simulation system 3-2,(c)simulation system 3-3,(d)simulation system 3-4,(e)simulation system 3-5
图10不同温度时的模拟体系(a-c)及温度对重质油中聚团平均尺寸的影响(d)
Fig.10Simulation systems at different temperatures (a-c)and effect of temperature on
the average size of micelles in heavy oil (d)
(a)simulation system 4-4at 298K,(b)simulation system 4-5at 335K,(c)simulation system 4-6at 375K
图9不同作用力下的模拟体系(a-c)及保守力参数a AB 对重质油中聚团平均尺寸的影响(d)
Fig.9Simulation systems with different conservative force parameters a AB (a-c)and effect of
the conservative force parameter a AB on the average size of micelles in heavy oil (d)
(a)simulation system 4-1(a AB =25),(b)simulation system 4-2(a AB =40),(c)simulation system 4-3(a AB =80)
(d)(e)(f)
(d)
(d)
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Acta Phys.-Chim.Sin.,2010
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分子结构片段的互溶性.
本文通过模拟体系4-1-4-3,考察重质油中稠合芳香环结构片段(A 粒子)与烷基链片段(B 粒子)保守力参数a AB 的变化对重质油聚集结构的影响.图9(a-c)给出a AB 为25、40和80时重质油的聚集结构.从图中可以直观地看出,重质油的胶束结构是由沥青质(红色)构成胶核,在其表面和内部均含有等可溶质.按照芳香性的强弱,可溶质中的胶质(绿色)最靠近胶束中心,芳香分(蓝色)则分布在胶束的最外侧.图中描述的胶束结构符合大部分现有沥青质胶体模型的分布预期[23,24].重质油中,当重质组分处于饱和状态时,形成胶束的各组分是连续过渡分布的,没有很明显的相边界,如图9(b)所示.但当重质组分与其他组分的互溶性变差时,沥青质等重质组分将形成蠕虫状聚团,同时聚团的平均尺寸增大,并开始出现明显的相边界,如图9(c)所示.这种与表面活性剂体系相似的特征反映出重质油的胶体体系本质.图9(d)比较了前述三种条件下的聚团平均尺寸.2.4.2温度的影响
本文通过模拟体系4-4-4-6,考察温度变化对重质油聚集结构的影响.温度变化将对DPD 粒子之间的保守力参数产生直接影响,表6给出温度为298、335和375K 时DPD 粒子间的保守力参数.
图10(a-c)分别为298、335和375K 时重质油中沥青质分子的聚集结构.模拟结果表明,当温度升高到335K 时,沥青质分子的聚集结构(图10(b))与298K 时的聚集结构(图10(a))显示出明显的差异,重质油中已无块状聚集,表现出相当好的分散性,这与实际情形相符.当温度继续升高到375K,沥青质分子的聚集结构(图10(c))则与335K 时的聚集结构相差不大,说明重质油中各组分已经达到相当高的互溶性程度.图10(d)也表明,重质油中聚团的平均尺寸将随温度的升高而明显减小.
3结论
采用耗散粒子动力学方法考察了重质油胶体体系的介观聚集结构及其影响因素,模拟结果表明:
(1)在由沥青质、胶质、芳香分、饱和分和其他轻质组分的DPD 模型分子构成的重质油模拟体系中,模拟得到的超分子结构层数、层间距等参数均与文献报道相近,说明本文选取的模拟体系和参数是合理的.
(2)模拟获得的重质油体系介观聚集结构反映出重质油体系具有明显的胶体分散体系特征,重质油形成的胶束聚集结构有分明的层次关系,即芳香度最高的沥青质分子聚集成为胶核,芳香度略低的胶质分子附着于胶核外层构成胶束的中间层,胶束的最外层为芳香分.模拟获得的重质油胶束结构与重质油的胶体结构模型的描述相吻合.
(3)模拟发现,重质油的聚集结构与沥青质分子的烷基侧链长度和芳香环稠合程度密切相关.较长的烷基侧链将在重质油体系中起到阻碍沥青质分子进一步聚集的分散作用,从而改善体系的分散性.较高的芳香环稠合程度将使胶束的聚集结构明显趋向有序化,并使沥青质的胶核作用增强,胶束的聚集结构更加紧密.
(4)模拟结果显示,胶质具有胶溶作用,能阻碍因沥青质的聚集而导致的相分离和聚沉.当胶质的浓度下降到不足以遮蔽沥青质分子时,重质油将出现聚沉.这与文献报道的可能存在一个胶质与沥青质浓度比的极限值,当小于这个极限值时将会出现聚沉的推测相符.
(5)模拟研究也显示,重质油胶体体系的介观聚集结构将对重质油的宏观流变学性质产生直接影响,对此影响规律的认识将为重质油减粘技术的研究提供有重要参考价值的信息.
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表6温度为298、335和375K 时的保守力参数(a ij )a Table 6Conservative force parameters (a ij )a at
298,335,and 375K
a
The conservative force parameters are sequenced by 298,335,and
375K,and obtained from Blends computation.
A
B
C
298K 335K 298K 335K 298K 335K 375K
A 20203025322726
B 30252626454032C
32
27
45
40
12
16
21
375K 202526
375K
252632
64
No.1
张胜飞等：重质油胶体聚集结构的耗散粒子动力学模拟5
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第七届东方胶化杯全国胶体化学研究生优秀成果奖评选通知
为促进中国的胶体化学发展,鼓励这一领域青年学生的进取精神,2002年起特设立全国胶体化学研究生奖学金,以表彰优秀的胶体化学专业研究生.申请资格与范围:
全国范围内各大学、科研机构在读的胶体化学专业研究生(含博士生)均有资格申请.申请人应在胶体与界面化学领域取得较为突出的创新性结果.发表一定数量的优秀科研论文(含已接受).申请人的所有成果必须是在研究生阶段进行或完成的.在职研究生不参与本奖学金评选.对于积极参加全国胶体与界面专业委员会学术活动的科研小组，将采取适度倾斜政策给予支持。评选程序:
1)本人申请:申请人需提交个人简历(含联系方式)、学术论文发表及已接受目录(含全部作者的正确顺序、期刊、年、卷(期)、页),科研工作自评,论文工作概况.已接受文章须具备期刊的接收函(含Email).
2)单位推荐:申请人须有本单位两名副教授以上职称的老师(含导师)推荐.3)专家评审:由全国胶体与界面化学专业委员会组织专家进行评审,确定获奖名单.评选进程:
2010年2月10日前递交个人申请与推荐材料(含电子版),经专家评审后于2010年3月正式公布并举行颁奖仪式.联系人:黄建滨
Tel:+86-10-62753557
Eamil:JBHuang@https://www.doczj.com/doc/b918332230.html, 邮寄地址:北京大学化学与分子工程学院
邮政编码:100871
本奖学金的设立获得了北京东方德菲胶体化学仪器有限公司大力支持与独家赞助.本奖学金评选工作的最终解释权在全国胶体与界面化学专业委员会.
全国胶体与界面化学专业委员会
2009年12月
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课程代码：0303181 课程英文名称：Colloid and Surface Chemistry 课程类别：专业选修课 课程负责人：王英滨 胶体与表面化学教学大纲 (总学时：40讲课：40) 一、课程教学目的 本课程是为材料化学专业开设的专业选修课，同时也可作为材料学、环境工程等专业的选修课。通过本课程的学习，学生在大学物理化学的基础上，进一步了解胶体与表面的基本理论问题，并能在以后的研究工作中加以应用。 二、课程教学基本内容、要求及学时分配 第一章绪论 2学时，了解胶体的定义与特点，胶体化学发展简史，胶体化学的研究对象和意义，胶体与表面化学的发展。 第二章胶体的制备和性质 6学时，掌握溶胶的制备和净化，溶胶的动力学性质，溶胶的光学性质，溶胶的电学性质和胶团结构，溶胶的稳定性和聚沉，流变性质。 第三章凝胶 6学时，掌握凝胶通性及分类，凝胶的形成与结构，胶凝作用及其影响因素，凝胶的性质，几种重要的凝胶。 第四章界面现象和吸附 8学时，掌握表面张力和表面能，弯曲界面的一些现象，润湿和铺展，固体表面的吸附作用，吸附等温方程式，固体－溶液界面吸附 第五章常用吸附剂的结构、性能和改性 6学时，掌握多孔性物质物理结构的测定方法，常用吸附剂的结构和性能，固体的表面改性第六章表面活性剂 6学时，掌握表面活性剂的分类和结构特点，表面活性剂在界面上的吸附，表面活性剂的体相性质，胶束理论，表面活性剂的亲水亲油平衡（HLB）问题，表面活性剂的作用 第七章乳状液 6学时，掌握乳状液的制备和物理性质，影响乳状液类型的因素和乳状液类型的鉴别，影响乳状液稳定性的因素，乳化剂的选择，乳状液的变形和破乳，乳状液的应用 三、本课程与其它课程的联系与分工 学习本课程需无机化学、有机化学、物理化学等课程基础。 四、教学方式 主要以课堂讲授方式进行，使用多媒体教学。 五、成绩评定方法 本课程的考核以课堂提问情况、完成作业等平时成绩和期末撰写读书报告成绩综合评
《结构动力学》读书报告 学院 专业 学号 指导老师 2013 年 5月 28日
摘要：本书在介绍基本概念和基础理论的同时，也介绍了结构动力学领域的若干前沿研究课题。既注重读者对基本知识的掌握，也注重读者对结构振动领域研究发展方向的掌握。主要容包括运动方程的建立、单自由度体系、多自由度体系、无限自由度体系的动力学问题、随机振动、结构动力学的前沿研究课题。侧重介绍单自由度体系和多自由度体系，重点突出，同时也着重介绍了在抗震中的应用。 1 概述 1.1结构动力学的发展及其研究容： 结构动力学，作为一门课程也可称作振动力学，广泛地应用于工程领域的各个学科，诸如航天工程，航空工程，机械工程，能源工程，动力工程，交通工程，土木工程，工程力学等等。作为固体力学的一门主要分支学科，结构动力学起源于经典牛顿力学，就是牛顿质点力学。质点力学的基本问题是用牛顿第二定律来建立公式的。牛顿质点力学，拉格朗日力学和哈密尔顿力学是结构动力学基本理论体系组成的三大支柱。 经典动力学的理论体系早在19世纪中叶就已建立，。但和弹性力学类似，理论体系虽早已建立，但由于数学求解上的异常困难，能够用来解析求解的实际问题实在是少之又少，能够通过手算完成的也不过仅仅限于几个自由度的结构动力体系。因此，在很长一段时间，动力学的求解思想在工程实际中并未得到很好的应用，人们依然习惯于在静力学的畴用静力学的方法来解决工程实际问题。 随着汽车，飞机等新时代交通工具的出现，后工业革命时代各种大型机械的创造发明，以及越来越多的摩天大楼的拔地而起，工程界日新月异的发展和变化对工程师们提出了越来越高的要求，传统的只考虑静力荷载的设计理念和设计方法显然已经跟不上时代的要求了。也正是从这个时候起，结构动力学作为一门学科，也开始受到工程界越来越高的重视，从而带动了结构动力学的快速发展。 结构动力学这门学科在过去几十年来所经历的深刻变革，其主要原因也正是由于电子计算机的问世使得大型结构动力体系数值解的得到成为可能。由于电子计算机的超快速度的计算能力，使得在过去凭借手工根本无法求解的问题得到了解决。目前，由于广泛地应用了快速傅立叶变换（FFT），促使结构动力学分析发生了更加深刻地变化，而且使得结构动力学分析与结构动力试验之间的相互关系也开始得以沟通。总之，计算机革命带来了结构动力学求解方法的本质改变。 作为一门课程，结构动力学的基本体系和容主要包括以下几个部分：单自由度系统结构动力学，；多自由度系统结构动力学，；连续系统结构动力学。此外，如果系统上所施加的动力荷载是确定性的，该系统就称为确定性结构动力系统；而如果系统上所施加的动力荷载是非确定性的，该系统就称为概率性结构动力系统。 1.2主要理论分析 结构的质量是一连续的空间函数，因此结构的运动方程是一个含有空间坐标和时间的偏微分方程，只是对某些简单结构，这些方程才有可能直接求解。对于绝大多数实际结构，在工程分析中主要采用数值方法。作法是先把结构离散化成为一个具有有限自由度的数学模
1、胶体的基本特性 特有的分散程度；粒子大小在1nm~100nm之间 多相不均匀性：在超级显微镜下可观察到分散相与分散介质间存在界面。 热力学不稳定性；粒子小，比表面大，表面自由能高，是热力学不稳定体系，有自发降低表面自由能的趋势，即小粒子会自动聚结成大粒子。 2、胶体制备的条件： 分散相在介质中的溶解度须极小 必须有稳定剂存在 3、胶体分散相粒子大小分类 分子分散系统 胶体分散系统 粗分散系统 二、 1、动力学性质布朗运动、扩散、沉降 光学性质是其高度分散性与不均匀性的反映 电学性质主要指胶体系统的电动现象 丁达尔实质：胶体中分散质微粒散射出来的光 超显微镜下得到的信息 （1）可以测定球状胶粒的平均半径。 （2）间接推测胶粒的形状和不对称性。例如，球状粒子不闪光，不对称的粒子在向光面变化时有闪光现象。 （3）判断粒子分散均匀的程度。粒子大小不同，散射光的强度也不同。 （4）观察胶粒的布朗运动、电泳、沉降和凝聚等现象 观察到胶粒发出的散射光，可观察布朗运动电泳沉降凝聚，只能确定质点存在和位置（光亮点），只能推测不能看到大小和形状 2、胶体制备的条件 溶解度稳定剂 3、溶胶的净化 渗析法、超过滤法 4、纳米颗粒粒径在1-100之间纳米颗粒的特性与粒子尺寸紧密相关，许多特性 可表现在表面效应和体积效应两方面。 5、布朗运动使胶粒克服重力的影响， 6、I反比于波长λ的四次方 7、溶胶产生各种颜色的原因；溶胶中的质点对可见光产生选择性吸收。溶胶对光吸收显示特定波长的补色不吸收显示散射光的颜色 agcl&agbr光透过浅红垂直淡蓝雾里黄灯减散，入射白光散射光中蓝紫色光散射最强天蓝是太阳散射光，早傍晚红色是透射光有宇散射作用 8、 9、胶粒带电原因：吸附、电离、同晶置换（晶格取代）、摩擦带电。 10、胶团结构：一定量难溶物分子聚结成中心称为胶核、然后胶核选择性的吸附稳定剂中的一种离子，形成紧密吸附层；由于正、负电荷相吸，在紧密层外形成反号离子的包围圈，从而形成了带与紧密层相同电荷的胶粒；胶粒与扩散层中的反号离子，形成一个电中性的胶团。 11、热力学电势和电动电势的区别： 发生在不同的部位、一般情况电动电势是热力学电势一部分绝对值小于热力学电势、热力学
一、是非题 1.表面超量的英文具体描述： The surface excess of solute is that the number of moles of solute in the sample from the surface minus the number of moles of solute in the sample from the bulk under a condition of the same quantity of solvent or the surface excess of solvent has been chosen to be zero. 2.囊泡的形成途径： The final surfactant structures we consider as models for biological membranes are vesicles. These are spherical or ellipsoidal particles formed by enclosing a volume of aqueous solution in a surfactant bilayer. Vesicles may be formed from synthetic surfactants as well. 3.絮凝与聚焦之间的区别： Coalescence ：the process that many small particles take together to form a new big particle,total surface area of the dispersion system decreases. Aggregation:the process by which small particles clump together like a bunch of grapes (an aggregate), but do not fuse into a new particle,total surface area of the dispersion system do not decrease as well. 4.胶束micelle ：A monophasic, fluid, transparent, isotropic and thermodynamically stable system composed by surfactant and water, the particle has some linear dimension between 10-9-10-6m. 5.乳液emulsion ：A multiphasic, no-transparent and thermodynamically unstable system composed by surfactant, cosurfactant, oil and water. 6.微乳液microemulsion ：A monophasic, fluid, transparent, isotropic and thermodynamically stable system composed by surfactant, cosurfactant, oil and water. 7.囊泡vesicle ：能不能直接从双联续制备转换过来？（√） 8.憎水溶胶 亲水溶胶 连续相与分散相有没有明显界限？（没有） 9.胶束体系的稳定性与哪些因素有关？与哪些因素无关？ 10.瑞利散射：条件 粒子大小 11.表面吸附超量γ：物理意义 溶剂的量是不是都为零？（×） 12.TEM 、SEM 都需要把样品放入真空中，最后结果都可以表明原来分散度。（×） 13.在Langmuir 膜、LB 膜 单层 理想气体方程式 能否用理想气体关系式描述？（能） 二、多项选择题 1.表面吉布斯自由能： The Gibbs equation:multicomponent systems γμAd dn SdT V G i i ++ =∑-dp From Gibbs-Duhen equation:∑μi dn i =0 注：S G G G G ++=β α ； ∑+-+=i i i n TS pV E G μ； ∑+-+=i i i s s s n TS A E G μγ； dA Ad d n dn SdT TdS Vdp pdV dE dG i i i s i i i γγμμβ α++++-++=∑∑∑)-(,,； dA Ad w d n dn dG pV nom s i i i i i i γγδμμβ α++++=∑∑∑)-SdT -(Vdp -,,； γμμβ αAd d n dn SdT Vdp dG i i i s i i i +++= ∑∑∑)-(,,； ∑+=i i i dn SdT Vdp dG μ-
课程设计说明书 齿轮模态的有限元分析 学院（部）：理学院 专业班级：工程结构分析学生姓名： 指导教师：赵丽霞讲师 2015年12 月27 日
安徽理工大学 课程设计成绩评定 1、专业班级：工程结构分析 2、姓名： 3、完成日期： 2015年12月27日 4、设计题目：齿轮模态的有限元分析 5、成绩评定： 6、指导教师： 日期：年月日
目录 摘要 (2) 1绪论 (5) 1.1 背景及意义 (5) 1.2 结构介绍 (5) 2理论及公式 (6) 2.1有限元模态分析理论 (6) 2.2 计算公式 (6) 3有限元分析 (7) 3.1齿轮建模 (7) 3.2齿轮边界约束 (7) 3.3齿轮网格划分 (7) 3.4有限元结果分析 (8) 4结论与展望 (10)
摘要 为了研究齿轮固有频率的影响因素，改善齿轮的动态特性，利用有限元软件ABAQUS 和振动理论对齿轮进行模态分析，为齿轮动态优化设计提供可靠的参考依据。结果表明：第1~6阶，齿轮的振型主要是弯曲振动和扭转振动。 减速器是原动机和工作机之间的一个独立闭式传动装置，用来降低转速和传递转矩，在工作过程中，减速器中的齿轮可能会由于机械振动而发出噪音，这样可能会降低齿轮的啮合精度和传递效率，从而影响减速器的使用寿命。 模态分析可以确定零件的固有频率和振型，使设计师在设计零件的时候，尽量使系统的工作频率和固有频率偏差较大，以防止共振，从而减少振动和噪音。模态分析的最终目标是识别系统的模态参数，为系统的振动特性分析、振动故障诊断和预报以及结构动力特性的优化设计提供依据，是结构动态设计及故障诊断的重要方法。 本文利用有限元软件ABAQUS，对减速器中的齿轮进行模态分析，来确定不同阶数下齿轮的固有频率和振型，来分析齿轮固有频率的变化趋势，从而为齿轮大的结构优化提供参考依据，避免齿轮在工作时候发生共振，从而减少噪音。 ABAQUS 是一套功能强大的工程模拟的有限元软件，其解决问题的范围从相对简单的线性分析到许多复杂的非线性问题。 ABAQUS 包括一个丰富的、可模拟任意几何形状的单元库。并拥有各种类型的材料模型库，可以模拟典型工程材料的性能，其中包括金属、橡胶、高分子材料、复合材料、钢筋混凝土、可压缩超弹性泡沫材料以及土壤和岩石等地质材料，作为通用的模拟工具， ABAQUS 除了能解决大量结构(应力 / 位移)问题，还可以模拟其他工程领域的许多问题，例如热传导、质量扩散、热电耦合分析等。
耗散粒子动力学的简单介绍和应用前景 mg0424112 徐源 一．耗散粒子动力学的发展 耗散粒子动力学（dissipative particle dynamics）是一种新欣的计算机模拟和描述流体的方法，是对分子动力学（MD）和LGA 模拟的继承和发展。分子动力学描述的精度较高，但是计算的代价较高，到目前为止，只能用来成功地处理一些简单的流体。另外，分子动力学应用条件比较苛刻，只能处理两维问题。 LGA （lattice-gas automata）是1986 年Frisch, Hasslacher, Pomeau,Wolfram 提出的描述流体行为的模拟方法，随后Rothman 和Keller 发展这个方法，使它能描绘不能互融的流体行为。但是LGA模拟有一个不足：模拟中，LGA引入一个重要的概念：格子(lattice), 格子的存在导致伽利略不变性的消失，因此，在描述压缩流体和多相流体时，误差较大。 耗散粒子动力学，集合了以上两种方法的优点：排除了虚拟格子的概念，从而避免了LGA方法的精度的麻烦，另一方面，保留了分离时间步骤的概念，简化了模型，加快了计算的过程。更重要的是，与前面两者相比较，耗散粒子动力学更容易和精确的模拟了三维状态下流体的行为，因此，具有更重要的意义。 在耗散粒子动力学中，基本颗粒是“格子”，它表示流体材料的一个小区域，相当于MD模拟中我们所熟悉的原子和分子。假设所有小于一个格子半径的自由度被调整出去只保留格子间粗粒状的相互作用。在格子之间存在三种力，使得每个格子对保持格子数和线性动量都守恒：简谐守恒相互作用（保守力），表示运动的格子之间的粘滞阻力（耗散力）和为保持不扩散对系统的能量输入（随机力）。所有这些力都是短程力并具有一个固定的截止半径。通过选择适当这些力的大小，可得到一个相应于gibbs-cano系统的稳定态。对于格子运动方程积分可以产生一条通过系统相空间轨迹线，由它可以计算得到所有的热力学可观测量（如密度场，序参量，相关函数，拉伸张量等）。
1.什么是气凝胶？有哪些主要特点和用途？当凝胶脱去大部分溶剂，使凝胶中液体含量比固体含量少得多，或凝胶的空间网状结构中充满的介质是气体，外表呈固体状，这即为干凝胶，也称为气凝胶。气凝胶是一种固体物质形态，世界上密度最小的固体。气凝胶貌似“弱不禁风”，其实非常坚固耐用。它可以承受相当于自身质量几千倍的压力，在温度达到1200摄氏度时才会熔化。此外它的导热性和折射率也很低，绝缘能力比最好的玻璃纤维还要强39倍。 用途：（1）制作火星探险宇航服（2）防弹不怕被炸 （3）过滤与催化（4）隔音材料（5）日常生活用品 2.试述凝胶形成的基本条件？ ①降低溶解度，使被分散的物质从溶液中以“胶体分散状态”析出。②析出 的质点即不沉降，也不能自由行动，而是构成骨架，在整个溶液中形成连续的网状结构。2.简述光学白度法测定去污力的过程。 将人工制备的污布放在盛有洗涤剂硬水的玻璃瓶中，瓶内还放有橡皮弹子，在机械转动下，人工污布受到擦洗。在规定温度下洗涤一定时间后，用白度计在一定波长下测定污染棉布试片洗涤前后的光谱反射率，并与空白对照。 4.试述洗涤剂的发展趋势。 液体洗涤剂近几年的新的发展趋势： (1)浓缩化 (2)温和化、安全化(3)专业化 (4)功能化(5)生态化: ①无磷化②表面活性剂生物降解③以氧代氯 5.简述干洗的原理 干洗是在有机溶剂中进行洗涤的方法，是利用溶剂的溶解力和表面活性剂的加溶能力去除织物表面的污垢。 3. 脂肪酶在洗涤剂中的主要作用是什么？ 脂肪酶，人的皮脂污垢如衣领污垢中因含有甘油三脂肪酸酯而很难去除，在食品污垢中也含有甘油三脂肪酸酯类的憎水物质，脂肪酶能将这些污垢分解成甘油和脂肪酸。 4.在洗涤剂中作为柔和剂的SAA主要是什么物质？用作柔和剂的表面活性剂主要是两性表面活性剂 8.用防水剂处理过的纤维为什么能防水？织物防水原理：将纤维织物用防水剂进行处理，可使处理后的纤维不表面变为疏水性，防水织物由于表面的疏水性使织物与水之间的接触角θ>90°，在纤维与纤维间形成的“毛细管”中的液面成凸液面，凸液面的表面张力的合力产生的附加压力△P的方向指向液体内部因此有阻止水通过毛细管渗透下来的作用。 5.请举出几个润湿剂的应用实例。 （1）润温剂在农药中的应用。加入润湿剂后，药液在蜡质层上的润湿状况得到改善甚至可以在其上铺展。 （2）润湿剂在原油开采中的应用。溶有表面活性剂的水，称之为活性水，活性水中添加的表面活性剂主要是润湿剂。它具有较强的降低油—水界面张力和使润湿反转的能力 （3）润湿剂在原油集输中的应用。在稠油开采和输送中，加入含有润湿剂的水溶液，即能在油管、抽油杆和输油管道的内表面形成—层亲水表面，从而使器壁对稠油的流动阻力降低，以利于稠油的开采和辅送。这种含润湿剂的水溶液 即为润湿降阻
水基钻井液及处理剂作用机理 蒲晓林 课程简介 本课程是“泥浆工艺原理”、“深井泥浆”的后续课程，是根据钻井液化学研究方向总结、整理的课程。着重从钻井液工艺性能和胶体化学的角度讲述钻井液处理剂作用原理。 1．课程特点 （1）课程目前还在完善中。 ①国外：对处理剂应用阐述多，作用机理研究少，在此研究领 域还没有这样一门专门课程； ②国内：近年来文章多，文献报道多，但不系统，各说各的； ③关于此方面的研究：大都以产品、专利出现，有关理论研究 的报道较少，尤其是许多研究还触及到许多商业秘密。因此，许多单位从机理出发，从理论出发去开发产品不多，缺乏理论指导。例如：中山大学、天津大学、山东大学、成都科大。 全国：产品成系列的仅两家：我院和勘探开发研究院。 根本原因：机理不清楚，研究失去方向。 （2）本课程主要从钻井液的发展和类型的角度讲述处理剂的作用机理。使学者掌握各种处理剂在不同钻井液条件下的作用原理和用途。 2．课程主要任务 ①分析、揭示水基钻井液作用机理，学习进一步深入研究这种作用机理的方法和思路；②讲述目前主要使用的国内外钻井液处理剂的作用机理。引导机理研究入手，力求把处理剂研究、研制理论化、条理化，为有目的地、有针对性地研制处理剂和研究新型
钻井液体系创造条件； ③从研究机理入手，掌握使用规律。更好地指导产品应用和质量提高，把处理剂研制、生产和应用规律有机地结合起来。3．课程的主要内容和思路 （1）核心内容 ●处理剂作用机理及其对钻井液宏观性能的影响； ●处理剂作用性质和作用效果的实验研究方法。 （2）处理剂研究的一般思路 ①从钻井工程对钻井液性能要求出发研究处理剂 适应钻井工程、地质勘探及其技术发展，钻井液性能应具备的性能要求；钻井工程、地质勘探技术发展同钻井液技术发展的相互促进关系。 ②考虑如何选用处理剂实现钻井液作用效能 通过什么样的（运用）处理剂，起什么作用，作用规律（机理）是什么？ 具有实现钻井液作用效能，处理剂应具有的性质， ——如水溶性、抗盐性和抗温性，同粘土的作用规律等等。 ③钻井液性能、作用效能要求与处理剂分子结构的关系 处理剂分子结构组成、分子量、分子链型、基团种类、比例、处理剂分子构象等等。 ——最终落实到处理剂的分子结构设计。 ④处理剂的合成、研制 要实现处理剂分子结构设计，所需的化学途径、合成工艺路线、合成条件。 ⑤处理剂应用规律和效能评价 处理剂效能评价的原则：满足优质、安全、低成本钻井、完井
第一章 1.胶体体系的重要特点之一是具有很大的表面积。 通常规定胶体颗粒的大小为1-100nm（直径） 2.胶体是物质存在的一种特殊状态，而不是一种特殊物质，不是物质的本性。 胶体化学研究对象是溶胶（也称憎液溶胶）和高分子溶液（也称亲液溶胶）。 气溶胶：云雾，青烟、高空灰尘 液溶胶：泡沫，乳状液，金溶胶、墨汁、牙膏 固溶胶：泡沫塑料、沸石、冰淇淋，珍珠、水凝胶、红宝石、合金 第二章 一．溶胶的制备与净化 1.溶胶制备的一般条件：（1）分散相在介质中的溶解度必须极小（2）必须有稳定剂存在 2.胶体的制备方法：（1）凝聚法（2）分散法 二．溶胶的运动性质 1.扩散：过程为自发过程 ，此为Fick第一扩散定律，式中dm/dt表示单位时间通过截面A扩散的物质数量，D为扩散系数，单位为m2/s，D越大，质点的扩散能力越大 扩散系数与质点在介质中运动时阻力系数之间的关系为：（为阿伏加德罗常数；R为气体常数） 若颗粒为球形，阻力系数=6（式中，为介质的黏度，为质点的半径）故，此式即为Einstein第一扩散公式 浓度梯度越大，质点扩散越快；就质点而言，半径越小，扩散能力越强，扩散速度越快。 2.布朗运动：本质是分子的热运动 现象：分子处于不停的无规则运动中 由于布朗运动是无规则的，因此就单个粒子而言，它们向各方向运动的几率是相等的。在浓度高的区域，单位体积的粒子较周围多，造成该区域“出多进少”，使浓度降低，这就表现为扩散。扩散是布朗运动的宏观表现，而布朗运动是扩散的微观基础 Einstein认为，粒子的平均位移与粒子半径、介质黏度、温度和位移时间t之间的关系：，此式常称为Einstein-Brown位移方程。式中是在观察时间t内粒子沿x轴方向的平均位移；r为胶粒的半径；为介质的粘度；为阿伏加德罗常数。 3.沉降
1、降滤失剂(Filtrate Reducers) 用来降低钻井液的滤失量，如膨润土、褐煤、CMC、PAC、预胶化淀粉等。 2、增粘剂(Viscosifiers) 用来提高粘度以保证钻井液的更好的井眼清洁能力和悬浮固相能力，包括膨润土、CMC、PAC、凹凸棒土和高分子量聚合物等。 3、乳化剂(Emulsifiers) 用来使两种互不相溶的液体成为非均匀混合物(乳状液)。 包括：用于油基钻井液中的脂肪酸和胺基化学产品和用于水基钻井液中的清洁剂、脂肪酸盐、有机酸、水溶性表面活性剂等，可以是阴离子型、非离子型或阳离子型的化学产品。 4、页岩抑制剂(ShaleControl Inhibitors) 可溶性钙盐、钾盐等无机盐和一些有机化合物因降低页岩的水化作用而具有页岩抑制性。 5、堵漏材料(Lost Circulation Materials) 用来封堵漏失层，隔离井眼表面和地层，以便在随后作业中不会再造成钻井液的漏失。 6、表面活性剂(SurfaceActive Agents) 降低接触面(水-油、水-固体、水-空气等)之间的界面张力，可作为乳化剂、破乳剂、润湿剂、絮凝剂或解絮凝剂等使用。 高温稳定剂(TemperatureStability Agents)
用来提高钻井液在高温条件下的流变性能和滤失性能稳定性，并在高温条件下持续发挥其功能，例如丙烯酸盐聚合物、磺化聚合物和共聚物，以及褐煤、木质素磺酸盐和丹宁基添加剂等。 7、润滑剂(Lubricants) 用来降低钻井液的摩阻系数，以便降低扭矩和阻力；如各种油、合成基液体、石墨、表面活性剂、乙二醇、甘油以及其他化学产品。 8、加重材料(Weighting Material) 9、消泡剂(Defoamers) 用来减少钻井液发泡作用，特别是在盐水和饱和盐水钻井液中。 10、发泡剂(FoamingAgents) 通常作为表面活性剂在有水时发泡，发泡剂可使空气或天然气用于钻水层。 11、杀菌剂(Bactericides) 用来防止淀粉、生物聚合物等有机添加剂细菌降解。
耗散粒子动力计算方法简介及应用，附有计算机仿真出的相图 1楼大中小发表于2006-11-6 02:10 只看该作者 [转帖]耗散粒子动力计算方法简介及应用，附有计算机仿真出的相图 请注意: 如果想要引用此帖的任何内容，请一定要在文章里加着原作者与发表的期刊刊名以及此帖后面所注明的reference，如有违者必须自行负上有关智慧财产权法的全部责任及法律责任。 作者: 邱佑宗 出处: 工业材料杂志213 期93 年9 月 内容: 前言 传统之分子动力计算(Molecular Dynamics; MD)(1)，长度尺度约在数奈米(Nanometer)至数十奈米左右，而每一时间步骤(Time Step)约在0.5~1 飞秒(Fentosecond)。以现今计算机之计算速度与记忆容量，合理的仿真步数，约在百万(106)至千万(108)，故其所计算问题之模拟时间，约在奈秒(Nanosecond)左右。然而，许多材料制程中个别事件发生所涉及之空间尺度及所需之时间，常不仅止于此。以胶体、悬浮微粒于流体中之运动等现象为例，单一尺寸颗粒即在10 奈米至1 微米之间，故以分子动力计算方法，搭配现今之计算机计算，尚无法仿真类似过程；在另一方面来说，连体力学(Continuum Mechanics)亦不适用于此类问题。故发展介于奈米尺度与微米尺度间之模拟方法，已成为近十年来的热门课题之一。 介观尺度计算方法的相关研究者众(2)，比较常用的有直接模拟蒙地卡罗(Direct Simulation Monte Carlo; DSMC)、平滑粒子水动力学(Smoothed Particle Hydrodynamics;SPH)、网格波兹曼法(Lattice BoltzmanMethod; LBM)，以及耗散粒子动力学(Dissipative Particle Dynamics; DPD)等。上述方法之源起与适用领域各有所不同，直接模拟蒙地卡罗适于描述稀薄气体(Rare Gas)；平滑粒子水动力学多用于天文学之星系模拟；网格波兹曼法则特别适于计算具复杂边界形状之流体行为。至于耗散粒子动力学，则多被用来模拟流体相分离(Phase Separation)、界面活性剂(Surfactant)等高分子于水中运动等现象。 耗散粒子动力计算(3)为一介观尺度之水动力学计算方法，适合模拟奈米至微米尺度之复杂流体，例如：胶体、悬浮微粒于流体中之运动等现象。此外，耗散粒子动力计算属粗粒化方法(Coarse Grained Method)，其以单一粒子代表一个至数百甚至数千的原子，用以模拟不发生化学反应的复杂流体系统极为合适。本文即简介耗散粒子动力计算方法之原理，以及相分离、两性分子自聚集(Self Aggregation)等应用实例。 原理
胶体与表面化学（第四版） 1.绪论 分散系统：一种物质以细分散状态分散在另一种物质中构成的系统。 分散相：分散系统中被分散的不连续相。 分散介质：分散系统中的连续相。 比表面：单位质量分散相物质所具有的面积。 缔合胶体：多个分子的缔合体构成胶体分散相。 胶体体系：分散相粒子至少在一个尺度上的大小处在1-100nm 范围内的分散系统。 溶胶：把分散介质是液体的胶体系统称为液溶胶，介质是水为水溶胶；介质是固体为固溶胶。 2.胶体与纳米粒子的制备 胶体制备：分散法（机械、电分散、超声波、胶溶）、凝聚法（还原、氧化、水解、复分解）晶核-晶体成长 条件：1）分散相在介质中的溶解度必须极小；2）必须有稳定剂的存在 净化：1）渗析：利用羊皮纸或火棉胶制成的半透膜，将溶胶与纯分散介质隔开。 2）超过滤：利用半透膜代替普通滤纸在压差下过滤溶胶的方法。 3）渗透：借半透膜将溶液和溶剂隔开，此膜只允许溶剂分子通过，胶粒和溶质不能通过。 反渗透：渗透平衡时在浓相一侧施加外压，则浓相中的溶剂分子向稀相迁移。 单分散溶胶：特定条件下制取的胶粒尺寸、形状和组成皆相同的溶胶。 胶体晶体：由一种或多种单分散胶体粒子组装并规整排列的二维或三维类似于晶体的有序结构。 光子晶体：在各个方向能阻止一定频率范围的光传播。 纳米粒子特性：比表面积大；易形成聚团；熔点低；磁性强；光吸收强；热导性能好 制备：气相、液相、固相 纳米气泡：在液体中或固液界面上存在的纳米尺度的气泡。 3.胶体系统的基本性质(N A =6.5*1023mol -1，R=8.314，T=273K) 运动 扩散：扩散系数：爱因斯坦第一扩散公式：r 61πη?=A N RT D 爱因斯坦布朗运动：r 3t t 2πη?==A N RT D X 沉降：大气压随高度分布：RT M gh -p p ln 0h = 光学 散射现象：当质点大小在胶体范围内时。反射：质点直径远大于入射光波长。 丁道尔现象：以一束强烈的光线射入溶胶后，在入射光的垂直方向可以看到一道明亮的光带。 Rayleigh 散射：022 1222122423)2(c 24I n n n n v I ?+-?=λπ 电学 电动现象：电泳：带负电的胶粒向正极移动，带正电的胶粒向负极移动。 电渗析：水在外加电场作用下，通过黏土颗粒间的毛细通道向负极移动的现象。 沉降电势：在无外加电场作用下，使分散相粒子在分散介质中快速沉降，则在沉降管两端产生电势差。 流动电势：用压力将液体挤过毛细管网或由粉末压成的多孔塞，在毛细管网两端产生电势差。 质点荷电原因：电离；离子吸附；晶格取代 双电层结构：胶粒表面带电时，在液相中必有与表面电荷数量相等且符号相反的离子存在，这些离子称为反离子。反离子一方面受静电引力作用向胶体表面靠近，另一方面受分子热运动及扩散作用有在整个液体中均匀分布的趋势。结果使反离子在胶粒表面区域的液相中形成平衡，越靠近界面反离子浓度越高，越远离界面反离子浓度越低。胶粒表面电荷与周围介质中的反离子构成双电层。胶粒表面与液体内部的电势差
一、概述 1．关于胶体化学的几个基本概念 (1）相和相界面 相是指那些物质的物理性质和化学性质都完全相同的均匀部分。体系中有两个或两个以上的相，称为多相体。相与相之间的接触面称为相接面。 (2) 分散相与分散介质 在多相分散体系中，被分散的物质叫做分散相。包围分散相的另一相，称为分散介质。例如，水基钻井液中，粘土颗粒分散在水中，粘土为分散相，水为分散介质。 (3)分散度和比表面 分散度是某一分散程度的量度，通常用分散相颗粒平均直径或长度的倒数来表示。如果用D表示分散度，用a表示颗粒的平均直径或长度，则分散度可表示为D＝1／a。比表面是物质分散度的另一种量度，其数值等于全部分散相颗粒的总面积与总质量(或总体积)之比。如果用S代表总表面积，用V表示总体积，用m表示总质量，则比表面可表示为： S 比 ＝S／V (m-1) (2-2) 或 S 比 ＝S／m (m-1／kg) (2-3) 物质的颗粒愈小，分散度愈高，比表面愈大，界面能与界面性质就会发生惊人的变化。所有颗粒分散体系的共性是具有极大的比表(界)面。 按分散度不同，可将分散体系分为细分散体系与粗分散体系。胶体实际上是细分散体系，其分散相的比表面≥104 m2／kg，其颗粒长度在1 nm～1 μm 之间。悬浮体则属于粗分散体系，其比表面大致不超过104m2／kg分散相的颗粒直径在1～40／μm之间。钻井液是复杂的胶体分散体系。水基钻井液基本上是溶胶和悬浮体的混合物，本书中统称为胶体分散体系。 (4)吸附作用 物质在两相界面上自动浓集(界面浓度大于内部浓度)的现象，称为吸附。被吸附的物质称为吸附质，吸附吸附质的物质称为吸附剂。按吸附的作用力性质不同，可将吸附分为物理吸附和化学吸附两类。仅由范德华引力引起的吸附，是物理吸附。这类吸附一般无选择性，吸附热较小，容易脱附。若吸附质与吸附剂之间的作用力为化学键力，这类吸附叫化学吸附。化学吸附具有选择性，吸附热较大，不易脱附。 2．沉降与沉降平衡 钻井液中的粘土粒子，在重力场的作用下会沉降。由于粒子沉降，下部的粒子浓度增加，上部浓度低，破坏了体系的均匀性。这样又引起了扩散作用，即下部较浓的粒子向上运动，使体系浓度趋于均匀。因此，沉降作用与扩散作用是矛盾的两个方面。 若胶体粒子为球形，半径为r，密度为ρ，分散介质的密度为ρ ，则 下沉的重力F 1 为： F 1＝（4/3）πr3(ρ－ρ )g (2-4) 式中 g－重力加速度；
结构动力学分析 1静力分析与动力学分析的区别 静力分析是分析结构在承受稳定载荷作用下的受力特性。结构动力分析是分析结构在承受随时间变化的载荷作用下的动力学特性。 2动力学特性 动力学特性通常有下面几种类型： 2.1振动特性 即结构的振动形式和振动频率。 2.2随时间变化载荷的效应 例如，对结构位移和应力的效应。 2.3周期（振动）或随机载荷的效应 3四种动力学分析及举例 3.1模态分析 用于确定结构的振动特性，即固有频率和振型。在承受动态载荷的结构设计中，固有频率和振型是重要的参数。模态分析也是其他动力学分析前期必须完成的环节。 举例：如何避免汽车尾气排气管装配体的固有频率与发动机的固有频率相同？ 3.2瞬态分析 用于确定结构在受到冲击载荷时的受力特性。 举例：怎样确保桥墩在受到撞击时的安全？ 3.3谐响应分析 用于确定结构对稳态简谐载荷的响应。 举例：如何确定压缩机、电动机、泵、涡轮机械等旋转引起的轴承、支座、固定装置、部件应力？ 3.4谱分析 用于确定结构在受到动载荷或随机载荷时的受力特性。 举例：如何确定房屋和桥梁承受地震载荷时的受力？ 4四种动力学分析基本原理 4.1模态分析理论的基本假设 线性假设：结构的动态特性是线性的，即任何输入组合所引起的输出等于各自输出的组 合，其动力学特性可用一组线性二阶微分方程来描述。任何非线性特性，如塑性、接触单元
等，即使定义了也将被忽略。 时不变性假设：结构的动态特性不随时间而变化，微分方程的系数是与时间无关的常数。 可观测性假设：系统动态特性所需要的全部数据都是可测量的。 遵循Maxwell互易性定理：在结构的i点输入所引起的j响应，等于在j点的相同 输入所引起的i点响应。此假设使结构的质量矩阵、刚度矩阵、阻尼矩阵和频响矩阵都成了对称矩阵。 4.2谐响应分析基本原理 谐响应分析是一种线性分析，非线性特性被忽略。 输入：已知大小和频率的谐波载荷（力、压力和强迫位移）；同一频率的多种载荷，可以是相同或不相同的。 输出：位移、应力、应变等。 已知动力学运动方程： [M]{u}+[C]{u}+[K]{u}={F(t)} 其中，[M] 为质量矩阵，[C]为阻尼矩阵，[K]为刚度矩阵，{u}为节点位移向量，{F(t)}载荷为时间的任意函数。对简谐运动而言，{u}和{F(t)}均为简谐形式。 4.3瞬态分析基本原理 瞬态分析也叫时间历程分析。载荷和时间的相关性使得惯性力和阻尼作用比较重要，如果惯性力和阻尼作用不重要，就可以用静力学分析代替瞬态分析。 输入：结构在稳态载荷、瞬态载荷和简谐载荷的随意组合作用下随时间变化的载荷。 输出：随时间变化的位移、应力、应变等。 瞬态动力学的基本运动方程： [M]{u}+[C]{u}+[K]{u}={F(t)} 其中，[M] 为质量矩阵，[C]为阻尼矩阵，[K]为刚度矩阵，{u}为节点位移向量，{F(t)}载荷为时间的任意函数。 4.4谱分析基本原理 谱分析模态分析的扩展，是将模态分析的结果与一个已知的谱联系起来计算结构的位移和应力。 主要用于分析承受地震或其他随机载荷的建筑物及桥梁结构等。
５０国外油田工程第２６卷第１期（２０１０．１） 触变性模型的结构动力学研究 编译：侯磊（中国石油大学（北京）城市油气输配技术北京市重点实验室） 杨卫红（中国石油管道公司秦京输油气分公司） 审校：崔秀国（中国石油天然气股份有限公司管道分公司科技中心） 摘要结构动力学模型通常描述非弹性悬浮介质触变物系的流动行为，总应力分为 与结构有关的弹性应力和黏性应力。结构参 数动力学方程考虑剪切对结构裂降和建立的 影响效应以及布朗运动对结构建立的影响效 应，还考虑絮凝物的松弛和形变。动力学方 程和松弛方程都考虑时间常数的分布。采用 客观的参数估算法，通过实验数据将该模型 与文献中列出的２个代表性模型进行比较。 用剪切率突变引起的应力变化数据验证模 型。通过稳态和非稳态初始条件下的应力阶 跃实验评估模型预测弹性和黏性两部分应力 的准确性。 关键词触变性模型模型评价絮凝悬浮 ＤＯＩ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００２—６４１Ｘ．２０１０．０１．０１４１引言 许多弱絮凝物系具有触变性，这意味着当剪切率突然增加时，黏度随时间逐渐降低，这种时间效应是可逆的，即当剪切率随后减小时黏度随时间升高。Ｍｅｗｉｓ和Ｂａｒｎｅｓ等学者对此进行了大量研究。触变性物系的时间效应与微观结构的裂降和建立有关。对触变性物系，应力松弛和第一法向应力差等黏弹性通常不明显。由于触变物系中的微观结构具有广泛性和复杂性，与微观结构模型相比，结构动力学模型更适于用作通常的触变模型。结构动力学模型方面的文献较多，但是模型评价仅局限于两种情况，一种是适用潜力的定性分析，另一种是通过有限的数据验证，在目前所查文献中极少有对模型的定量评价。近年来，有研究成果显示现有结构动力学模型也存在一定不足，本文提出一种新的结构动力学模型克服这些问题，该模型通过一系列剪切率突变引起的应力瞬变实验来评价，考虑了结构的破坏和恢复。 ２实验材料和方法 ２．１实验材料 使用两种不同的触变物系验证所建立的结构动力学模型。第１种物系是将熏硅颗粒分散在精炼石蜡油和低分子量聚异丁烯混合液中而成，所有的实验数据都是针对包含２．９％（体积分数）熏硅颗粒的悬浮液得到的，这些颗粒分散在由石蜡油和２７．５％（体积分数）聚异丁烯组成的牛顿体溶液中，悬浮液在２０℃时的黏度为０．６５Ｐａ?ｓ。第２种物系是将由３．２３％（体积分数）的碳黑颗粒分散在未加工的石脑油（２０℃黏度为１．４１Ｐａ?ｓ）中而成。这两种分散物系的流变数据都是在均匀流条件下获得的。 ２．２实验方法 通过控制应变流变仪测得２０℃时的稳态流动性质和应力变化。对熏硅分散物系，使用半径为２５ｍｍ、角度为０．０４ｒａｄ的钛锥板；对碳黑分散物系，使用半径为２０ｍｍ、角度为０．０４ｒａｄ的塑料锥板。通过取消过滤器和在扭矩连接器上加装８位数据采集卡来获取瞬时数据。 ３模型的建立 考虑一维结构动力学模型，剪切应力盯包括颗粒应力盯。和介质应力盯。： 盯（Ａ，ｙ）＝盯。（Ａ，ｊ，）＋ｄ。（，）（１）式中，ｊ，为剪切率；叉为结构参数，取值范围是ｏ～１；颗粒应力ｃｒｐ包括弹性应力盯；和黏性应力口ｉ５。 口（Ａ，ｊ，）＝盯；（Ａ，ｊ，）＋盯；“（Ａ，≯）＋仃。（夕）（２）对弹性应力ｄ：，用１个Ｍｕｊｕｍｂａｒ模型中的Ｈｏｏｋ弹簧来表示其受力机制；介质应力口。与介质黏度刀。成正比；颗粒黏性应力仃：：ｉ３由两部分构成：第１部分应力来源于结构完全破坏时的黏度舳和介质，黏度呀。的差，第２部分应力来源于可变结构的黏度增量粕。即使在稀释的触变性物系中，高剪切黏度弘也远大于介质黏度＇７。。因此，认为高剪切黏度与介质黏度是不同的。因此，式（２）变为： 万方数据
Copyright ? 2014 版权所有 中国力学学会 地址: 北京市北四环西路15号 邮政编码:100190 Address: No.15 Beisihuanxi Road, Beijing 100190 第八届全国流体力学学术会议 2014年9月18～21日 甘肃兰州 文章编号： CSTAM2014-B01-0333 标题：纳米流体液滴的耗散粒子动力学方法模 拟 作者：沈世元，周哲玮 单位：上海市应用数学与力学研究所 上海大学
第八届全国流体力学学术会议 2014年9月18-21日 甘肃 兰州 CSTAM2014-A26-BS10029 纳米流体液滴的耗散粒子动力学方法模拟 沈世元1,2，周哲玮1,2 （1上海市应用数学与力学研究所，上海闸北区 200070） （2上海大学，上海闸北区 200070） 摘要 纳米流体是指把直径范围从10nm —100nm 的金属或非金属纳米颗粒分散到水、醇、油等传统物质中形成的新型流体。纳米颗粒的尺寸和浓度会对纳米流体的表面张力、润湿性和导热性等产生很大的影响，是近年来材料、物理、化学、传热学等众领域的研究热点。DPD （耗散粒子动力学， Dissipative Particle Dynamics ）是研究介观尺度下粒子运动的有力工具，其算法中的参数与物理系统的关系是研究热点之一。本文利用DPD 方法模拟介观尺度的纳米液滴，根据纳米液滴的接触角确定DPD 方法中的参数，研究了固壁、液体和纳米颗粒之间的相互作用系数。由于各种参数可以根据实测的数据来确定，此方法适用于研究实际工程中的问题。 关键词 纳米流体；耗散粒子动力学；接触角；相互作用系数 1.引言 1995年，美国Argonne 国家实验室的Choi 3等人提出了一个崭新的概念—— 纳米流体。随着纳米技术日益深入人心，相关研究逐渐成为一个热点，并在许多工业领域中得到拓展，比如含有表面活性剂的纳米流体可用来增加石油开采量，改良油污后的土壤；由于其易于浸入固体表面的特性，还常被用于对材料进行优化和改良。此外，纳米流体的有效导热系数高于相应纯流体，这使其传热性明显增强，因而多用于芯片散热的液冷系统中。通常，悬浮在流体中的纳米颗粒会受到诸如流动阻力、布朗运动、粒子间扩散及重力等内外因素的影响，其运动规律极其复杂。1 前人对于纳米流体性质的各个方面做了广泛的研究。1993年日本东北大学的Masuda 等人2在水中添加平均粒子直径为13nm 的32O Al 和27nm 的2O T i 粒子，制备了不同体积浓度的纳米颗粒胶体并测量了胶体的导热系数;1995年，美国Argonne 国家实验室的Choi 等人以一定的方式和比例在液体中添加纳米级金属或金属氧化物粒子，并称之为纳米流体。3 其中的氧化物粒子包括O C u 、2O S i 、32O Al 等，另外还有一些金属粒子和碳化物等4。 在1995年Choi 3之后，国内外的学者纷纷对纳米流体展开了深入的研究。在国 内方面，范庆梅等人5 对纳米流体的热导率和粘度进行了计算。李云翔等人6 为纳米流体的研究进展做了一个总结，包括：纳米流体稳定性的研究、纳米流体物性的研究、纳米流体传热特性的研究，其中既包括实验方面的研究进展也对纳米流体物性以及传热特性的理论研究进行了系统的总结。国外方面，B. Davidovitch 等人7研究了考虑了热扰动的粘性液滴在基板上的过程。杰出的研究人员如Kim 8-11、Vassallo 12、Truong 13等人也在纳米流体的性质研究方面做出了杰出的贡献，这里不再一一赘述。 分子动力学模拟（Molecular Dynamics, MD ）是一种在微观尺度下模拟原子和简单分子运动的方法。但由于超出这个尺度的时候，MD 方法不适用，我们需要采用另外的方法。对于介于宏观和微观之间的尺度上的流体动力学行为的研究是目前学术界的热点问题。这个中间的尺度通常被称为介观尺度，通常指的是10-1000nm 和1ns-10ms 的尺度。本文所采用的介观尺度下模拟流体的动力学行为的方法是耗散粒子动力学方法（Dissipative Particle Dynamics ，简称DPD ）14。此方法通过对模拟区域内的粒子进行粗粒化，以减少计算代价，在更短的计算时间内计算更大的