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基于多偶极矩的电流变液动力学仿真与实验研究

陶柳  
【摘要】:电流变液是一种由不导电或者弱导电的细微颗粒随机分布在绝缘的液体中组成的智能材料,因其粘度对外电场具有快速响应且可逆等优良特性,所以受到科研工作者们的关注。准确诠释电流变效应的机理一直是该领域研究者们致力于研究的课题,但基于电流变液的微观动力学行为着手研究的成果却不多见,而且一般忽略了多偶极矩和颗粒旋转效应,更没有考虑流动场的俘获效应对电流变效应的影响。本文基于多偶极矩模型和俘获效应,研究了电流变液在电-力-流-热等多场耦合载荷环境下的运动规律,推导出电流变液在多场作用下考虑到颗粒旋转效应的结构-力耦合方程(即修正的多偶极矩模型);利用此方程对电流变液进行了动力学仿真分析;并试图通过可视化实验来观察多场耦合作用下电流变液(亚)微观结构演化过程。以上工作对准确诠释电流变效应机理以及电流变液的配方设计有一定意义。 主要完成了以下工作。 首先,通过Matlab软件对颗粒之间局部电场进行了仿真分析,定性分析了点偶极矩模型使用范围和存在的缺陷,并提出了两种简化多偶极矩的计算模型,分析了各自的优缺点;计算讨论Poiseuille流场下颗粒旋转效应对颗粒之间极化力以及电流变液微观结构的影响,求解出颗粒旋转对颗粒之间作用力的影响因子,为Poiseuille流场下的电流变效应机理研究提供了可供参考的理论依据。 其次,基于Poiseuille流场下的多偶极矩模型,在单一场下分别就点偶极矩模型和多偶极矩模型对电流变液的动力学进行三维仿真;多场耦合下应用修正的多偶极矩模型进行了动力学仿真;利用多偶极矩模型求解出了电流变液的的动态屈服应力表达式;并研究分析了颗粒体积分数对电流变液动态屈服应力的影响。 最后,对电流变液在Poiseuille流场下的实验系统进行了设计分析;电流变液的选择与配置,对所配置的电流变液通过MCR301型流变仪测试其流变学性能;利用所设计的透明电极以及可视化设备,观察到了在静态场以及Poiseuille流场下的电流变液结构演化过程,得出的实验结果对以后电流变液效应机理研究有着一定的指导意义。 本课题来源于国家自然科学基金资助项目:(51075345)。


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