基于格子Boltzmann方法的电流变液动力学模拟和试验研究

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尽管近几年来出现了具有高屈服应力的巨电流变液和极性分子电流变液,但与实际工程应用的MPa级要求仍有一定差距。因此,电流变材料配方设计工作仍然是科学工作者需要解决的重要课题,而正确的配方设计工作一定是基于对电流变效应机理的完整而准确的认识。从已有的文献成果看,对电流变效应机理研究,一般是建立在静态流动场或流变仪旋转剪切场的观察中,它不能充分地描述多场耦合作用下的电流变流体的动力学行为。尤其值得注意的是:表征电流变效应时空域的特征尺度都是非常小的,时间是毫秒级;空间一般是毫米级。从早期研究电流变极化模型到近期的动力学模拟工作中,不少科学家都考虑到了双电层、电渗和电泳等一般在微尺度下液体流动考虑的因素。但是都没有综合考虑微尺度流动下的尺度效应来研究电流变液的动力学行为。本文依托国家自然科学基金项目(51075345),从理论和试验方面对电流变液在多场耦合作用下的动力学行为进行了研究。首先,我们将电流变液的响应过程视为近似微尺度流动,基于格子Boltzmann方法建立了表征电流变液动力学的两相流模型;并对多场耦合作用下的电流变液动力学行为进行了模拟研究,结果表明该模型不仅可以得到固相颗粒的亚微观结构演变过程还能得到电流变液的流变特征。其次,针对电流变效应机理研究工作中可视化试验研究相对较少的现实,自行设计并制作了一套可视化试验平台,该平台能够实现对电场强度、流速等定量控制,还能对电流变液场致亚微观动态结构、流动边界信息和宏观力学性能参数等在线采集。最后,通过可视化试验研究了电流变液在静态场和多场耦合作用下的场致亚微观动态结构变化。试验结果表明,静态场下电流变液的响应过程界面效应起主导作用;耦合场下动力学过程中,电流变液的亚微观结构主要受极化力和液动力的影响;流动边界信息有:链结构的屈服断裂最先发生在链与极板的结合处,即表征出速度滑移的微流动特征;可视化试验工作验证了下游的链状结构能够俘获上游滑移的链或自由颗粒重新组成更加稳定的链柱状结构。
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