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多场耦合作用下电流变液的动力学特性模拟研究

袁伟  
【摘要】:电流变液是一种智能型液体材料,由于它的介观性,其动力学的研究至今仍受到关注。但是,在电流变动力学的前期研究中,很少考虑多场耦合作用下的动力学研究,尤其没有发现电流变响应过程中存在的俘获效应。本文依托于国家自然科学基金项目(51075345),并基于多场耦合作用和电动力学理论,分析电流变液在流经控制场所表征的俘获效应,探讨电流变液在电-力-热-流等耦合载荷环境下的流动特性,从理论建模和数值模拟两个方面展开对多场耦合作用下电流变液的动力学方程及动力学特性进行研究。 首先基于电动力学理论,分析了电流变液在耦合场下所表征的俘获效应,对电流变液在多场耦合作用下的结构-力动态耦合方程进行了推导;并基于N-S方程,结合探讨的结构-力动态耦合方程,研究了电流变液在电场和Poiseuille流场耦合作用下的耦合动力学模型。采用分子动力学方法,对电流变液的势函数、耦合动力学无量纲方程、Velocity-Verlet数值算法、初始和周期性边界条件以及积分步长和截断半径进行了探讨,并分析了多场耦合作用下电流变液的平均剪切应力。数值模拟了单一场作用下和多场耦合作用下电流变液微观结构的演变过程,并分析了电流变液在动态响应过程中的动态力学性能,探究结构变化与动力学特性耦合的关系;研究和讨论了Mn数和体积分数对耦合场下电流变液链结构和动力学特性的影响。 研究表明:在多场耦合作用下,电流变液历经链状结构-体心立方结构-层状结构的变化,引起了结构与力的动态耦合,表征建立的电流变液耦合动力学模型及利用的分子动力学方法能较好地满足数值分析;另外Mn数和体积分数对电流变液微观结构和动力学特性耦合影响明显。本文的研究工作从动力学角度补充的诠释了电流变效应机理学说,对寻求电流变液正确的配方设计和合理的工程应用有着积极的作用。


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