方法文章

一种用于研究稠密气体和液体中分子流体动力学过程的宏观模拟技术

DOI：

10.3791/56632

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2017年12月4日

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1Department of Mechanical Engineering, University of North Carolina at Charlotte

本文内容

摘要

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本文介绍了一种实验上可实现的模拟方法，用于研究稠密流体中的分子流体动力学过程。该技术利用振动下高恢复系数颗粒堆的粒子图像测速法，能够直接在宏观尺度上观测到强相互作用、高密度气体和液体中已知或预测存在的动力学过程。

摘要

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

本文描述了一种用于研究稠密气体和液体中分子尺度流体动力学过程的类比宏观方法。该技术应用标准的流体动力学诊断手段——粒子图像测速法（PIV），用于测量：i）在短时间颗粒碰撞时间尺度上单个粒子（颗粒）的速度；ii）在短碰撞时间和长连续流动时间尺度上粒子系统的速度；iii）在稠密分子流体中已知存在的集体流体动力学模式；以及 iv）短时间和长时间尺度的速度自相关函数，后者对于理解强相互作用稠密流体系统中粒子尺度的动力学至关重要。该基本系统由成像系统、光源、振动传感器、具有已知介质的振动系统，以及PIV和分析软件组成。文中重点介绍了采用该类比技术研究分子尺度流体动力学过程所需的实验测量步骤，以及相关的理论工具概要。该方法为传统上用于分子流体动力学研究的光子散射和中子束散射技术提供了一种相对简便的替代方案。

引言

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分子流体动力学研究流体中单个分子及分子集合的动力学行为与统计力学特性。在已发展的用于研究分子流体动力学系统的多种实验技术中1,2，光散射1,2,3、分子动力学模拟4,5,6,7以及在较小程度上的非弹性中子散射8应用最为广泛。然而，后两种技术存在显著局限性。例如，分子动力学（MD）模拟：i) 仅限于包含相对较少分子数目的小尺度空间和时间范围 纳秒级时间测量范围示意图，10⁻⁹ 至 10⁻⁶ 秒，用于瞬态吸收实验。（分子数量 N 通常在 10³ 到 10⁵ 之间）

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方案

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1. 振动系统的准备

  1. 如图1所示搭建振动系统。该系统由一个环形聚氨酯料 bowl（外径为600 mm）连接至单速（1740 rpm）不平衡电机组成，后者用于产生工艺振动。该装置安装在一个配重底座上，并通过一组八个弹簧与之分离（料 bowl 和配重底座作为整体部件采购）。将料 bowl 组件连接到支架上，并用提供的两个橡胶挂钩固定。将蠕动泵放置在料 bowl 附近的桌面上，并将泵的出口软管连接至料 bowl 的润滑剂入口。
    1. 将三轴加速度计安装在环形料 bowl 的内侧半径处，以记录低振幅条件下的料 bowl 振动，并将加速度计连接至传感器信号调理器。将信号调理器放置在远离振动系统的桌面上。加速度计/信号调理器组合由安装在标准计算机上的数据采集硬件/软件控制。
  2. 选择所需介质，先用水清洗并晾干。在不同实验中已使用多种类型的介质。本文中采用直切三角形陶瓷抛光介质（从前端观察为10 mm × 10 mm × 10 mm 的三角形，厚度为10 mm）。
    1. 通过以下方法测定介质的堆积密度：先将一个空塑料袋放在实验室天平上并归零。将选定介质装入塑料袋中（不超过18.927 L（5加仑）），记录介质质量（g 或 kg）。对于本实验所用介质及当前实验设置，测得质量为22.68 kg（50 lb）。

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结果

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在展示代表性结果时，我们将连续时间尺度过程定义为在时间尺度上被观测和预测的过程，该时间尺度相对于颗粒碰撞的特征时间尺度静力平衡概念 ΣFx=0，方程图解，用于说明物理学中的力与平衡。较长，相关时间方程，τc=f₀⁻¹，用于动态系统分析。 寿命比较 τL≫τC；静力平衡分析；高级力学公式。；而将颗粒时间尺度过.......

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讨论

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为了将振动颗粒柱作为研究分子流体动力学过程的宏观类比，实验人员一方面必须学习并使用四种基本测量方法，另一方面还需掌握平衡态与非平衡态统计力学的一些基本要素。首先关注实验测量，这些方法包括：i）通过测量单颗粒速度自相关函数来研究单个颗粒的动力学行为，ii）测量时间平均/长时间尺度下的表面颗粒速度场，iii）测量颗粒介质的有效黏度，以及 iv）测量介质容器在空载和装载介质状态下的振动谱。

单颗粒速度自相关函数的测量

通过测量单个粒子速度的自相关函数，研究微观系统中分子或本方法中受振动颗粒的个体随机动力学行为， Wave function Ψ(t) symbol; quantum mechanics; represents time-dependent state evolution.

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披露

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作者无任何利益冲突需要披露。

致谢

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本工作由美国海军研究办公室（ONR N00014-15-1-0020）[Tkacik 和 Keanini] 资助，并在北卡罗来纳大学夏洛特分校赛车运动研究实验室完成。抛光介质由 Rosler 公司捐赠。

....

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材料

本文使用的材料清单
姓名公司目录编号评论
振动抛光碗RaytechAV-75
流量计Peristaltic Pumps913 Mity Flex
电子天平Pelouze4040
三轴加速度计PCB PiezotronicsPCB 356B11带传感器信号调理器的加速度计
数据采集计算机IBMThinkpad与高速相机联用
高速相机RedlakeMotionxtra HG-XR
变焦镜头Tamron型号 A1818-250mm F/3.5-6.3 
高强度光源ARRIEB 400/575 D
数据处理计算机DellDell Precision Tower 7910
PIV 软件 Dantec DynamicsDynamic Studio 2013版本 3.41.38
数据采集硬件National InstrumentsSCXISCXI-1000 机箱，配备 SCXI 1100 卡和 SCXI 1303 适配器
数据采集软件National InstrumentsLabVIEW 2012
数据处理软件MATHWORKSMATLAB
抛光介质RoslerRSG 10/10S使用多种介质类型（混合型、球形、三角形）
抛光液RoslerFC KFL (3%)含3%肥皂溶液的水溶液
刻度尺Swiss Precision Instruments13-911-3
量筒Global Scientific601082

参考文献

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  1. Berne, B. J., Pecora, R. Dynamic Light Scattering. , John Wiley and Sons Ltd. (1976).
  2. Boon, J. P., Yip, S. Molecular Hydrodynamics. , McGraw-Hill. (1980).
  3. Brown, J. C., Pusey, P. N., Goodwin, J. W., Ottewill, R. H. Light scattering study of dynamic and time-averaged correlations in dispersions of charged ....

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