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物理学报ActaPhys..SinVol.70,No.12(2021)124701
非牛顿流体剪切稀化特性的分子动力学模拟*
杨刚郑庭程启昊张会臣†
(大连海事大学船舶与海洋工程学院,大连116026)
(2020年12月13日收到;2021年1月12日收到修改稿)
非牛顿流体在微流控系统及生物医学等领域具有广泛应用.采用分子动力学模拟方法,以羧甲基纤维素
钠分子和水分子构成的系统为研究对象,模拟了不同剪切速度下羧甲基纤维素钠溶液的构型演变,采用溶质
分子的均方位移和近表面水分子层的相对剪切速度表征溶液黏度的变化,着重分析了氢键作用对溶液黏度
变化的影响.结果表明:羧甲基纤维素钠溶液中水分子与溶质分子相互吸引形成更致密的氢键网络,使得溶
液黏度增加.当对溶液施加剪切作用时,溶质分子上与碳相连的氢原子与水氧原子之间的径向分布函数峰值
减小,二者形成的氢键作用减弱.在剪切作用下,溶质分子运动加剧,水分子对溶质分子运动的阻碍作用减小;
同时距剪切边界越近的水分子的移动速度越接近剪切速度,随着距离增加,水分子层的移动速度大幅度减小;
以上结果在宏观上可表现为体系的黏度降低.剪切速度增加,羧甲基纤维素钠溶液的剪切稀化现象愈加显著.
关键词:非牛顿流体,分子动力学,剪切稀化,氢键
PACS:47.50.–d,52.65.Yy,83.60.Rs,82.30.RsDOI:10.7498/aps.70
时,采用Carreau模型来表征流体的状态,分析了
1引言非牛顿流体的径向速度和切向速度分量随幂律指
数、雷诺数和韦伯数的变化情况.Roberts和Cox[8]
具有剪切稀化特性的非牛顿流体在微流控系利用非牛顿流体Bingham模型分析了压力驱动下
统及生物医学等领域具有广泛应用,其流变特性对剪切稀化流体在弯曲通道中的速度分布,推导出压
特定功能的实现具有至关重要的影响[1−4].对非牛力驱动的非牛顿流体绕二维同心环流动的速度剖
顿流体剪切稀化特性的研究一直以来主要通过数面表达式.
学模型的建立加以表征.例如,Jordi等[5]通过突随着数值模拟技术的发展,对非牛顿流体流变
变剪切速率来确定不同分子量的聚丙烯酸酯溶特性的研究,从宏观尺度向介观尺度深入.Wu等[9]
液的流变特性,从而确定其稳态黏度、启动黏度和利用改进的格子玻尔兹曼方法模拟了幂律流体、
触变行为,结果表明,其稳态黏度符合Ostwald-deBingham流体和Herschel-Bulkley流体的非牛顿
Waele幂律流体模型;Laporte等[6]在微通道气液特性,给出了它们流变特性的表达式,并用泊肃叶
两相流研究中,采用改进后的幂律模型表征乳清蛋流法验证了该改进方法的可行性.结果表明,初始
白分离物和黄原胶混合溶液的流变行为,并通过改屈服应力和幂指数对非牛顿流体的流变特性均有
变黄原胶溶液溶质的含量对非牛顿流体在通道中影响.Dong等[10]建立了非牛顿流体两相流的格子
的流型进行调控.Khan等[7]在研究横向磁场和欧玻尔兹曼模型,在没有重力作用的情况下,模拟了
姆加热对一种不可压缩的非牛顿流体内能的影响两相流在矩形粗糙通道内的流动,证明了两相格
*国家自然科学基金(批准号:资助的课题.
†通信作者.E-mail:hczhang
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