针对乳浊液中液滴相互作用的DPD方法研究及应用

Emulsion, i.e. dispersions of liquid droplets in a continuous liquid medium, has wide applications in industry, including food processing, bio-medical and pharmaceutical manufacturing and oil-gas transportation. Comparing with suspension, emulsion is more complicated due to droplet break up, droplets collision and coalescence. The main objective of this project is to study the rheological properties of emulsion with Dissipative Particle Dynamics method (DPD). The standard DPD method will be improved by incorporating the lubrication force model and van der Waals force model, with the aim that to simulate the process of droplets collision and coalescence accurately. With this improved method, droplet interaction and two kinds of emulsion, i.e. two-phase emulsion including dispersed droplets and continuous liquid and three-phase emulsion including dispersed droplets, surfactant and continuous liquid, will be numerically modelled. The droplet interaction, rheological properties as well as the correlation between emulsion’s rheological properties and its microstructure will be studied systematically.

乳浊液，是指一种或多种离散相液体分布于另一种不相溶的连续相液体中的混合液，它广泛存在于食品工业、生物医药工业以及石油工业中。乳浊液中存在液滴的破碎、碰撞以及合并等复杂的物理现象，相比于悬浮液，对乳浊液的研究较为复杂。本项目拟通过耗散颗粒动力学方法对乳浊液的流变特性进行数值研究。首先，对现有的耗散颗粒动力学方法进行改进，建立润滑力以及van der Waals力的数值模型，使其能精确地模拟液滴间的碰撞以及合并等现象。其次，基于改进了的耗散颗粒动力学方法，对两个液滴的相互作用、包含离散相液滴和连续相溶液的两相乳浊液以及包含液滴、溶液和表面活化剂的三相乳浊液进行模拟，对液滴相互作用和乳浊液流变特性进行系统的研究，将乳浊液的流变特性与其微观结构建立联系。

乳浊液广泛存在于食品工业、生物医药工业以及石油工业中，乳浊液中存在液滴的破碎、碰撞以及合并等复杂的物理现象，相比于悬浮液，对乳浊液的研究较为复杂。本项目通过对耗散粒子动力学方法进行改进，建立粒子间润滑力/van der Waals力的数值模型，以两个液滴相互作用为研究对象，完成了数值方法的验证；以哑铃状高分子为典型模型，建立直接的计算模型，对高分子溶液的流变行为进行考察，得到与传统的Olodryd-B非牛顿模型一致的流变性质；在上述研究基础之上，对乳浊液的流变特性进行数值研究，考察了不同液滴体积分数、不同Re数情况下，乳浊液流变特性的变化，研究中捕捉到乳浊液的剪切变稀和粘弹性等性质，并将其流变特性与乳浊液的微观结构进行关联性分析。项目中，将改进的数值计算方法进一步拓展至平板Poiseuille流中液滴的横向迁移行为的研究，研究表明，液滴在不同粘度比、Ca数情况下，存在不同的平衡位置，研究结果可为颗粒液滴的分离提供借鉴。项目中，同时提出了基于Berendsen恒压器的压力边界条件的控制方法，并将其应用于气泡振荡的研究，这一方法可应用于微流控气泡、超声气泡动力学行为的研究之中。本项目执行期间，共发表SCI论文7篇，EI论文1篇，参加国际会议4次，培养硕士研究生2名，已毕业1名，联合培养博士研究生1名。通过项目研究，帮助项目成员与相关企业建立联系，期望通过项目成果为企业解决相关问题，并争取其他的后续资助。