【摘要】：分形是非線性科學(xué)的重要內(nèi)容,分形結(jié)構(gòu)常具有自組織性和自相似性。分形凝聚是分形的重要研究課題之一,其廣泛存在于物理、化學(xué)、生物等領(lǐng)域中。對(duì)分形凝聚體的結(jié)構(gòu)特征及其凝聚動(dòng)力學(xué)的研究逐漸受到人們的重視。在封閉的膠體懸液中,如果不考慮外界環(huán)境的影響,懸液中的粒子將因布朗運(yùn)動(dòng)發(fā)生碰撞并逐級(jí)凝聚,最后達(dá)到相應(yīng)的穩(wěn)態(tài)。但是自然界中的大部分系統(tǒng)并不是封閉的,而是常伴有物質(zhì)和能量的交換。比如體系水份蒸發(fā)、下滲、外緣電解質(zhì)加入、重力場(chǎng)的影響等均會(huì)影響凝聚體的結(jié)構(gòu)特征,甚至影響凝聚動(dòng)力學(xué)過(guò)程。這種與外界有物質(zhì)和能量交換的系統(tǒng)常被稱為開放系統(tǒng)。在開放系統(tǒng)中,粒子的凝聚過(guò)程受各種因素的影響,而以往的研究常是在封閉體系中,考慮的影響因素單一,無(wú)法真實(shí)地解釋粒子運(yùn)動(dòng)規(guī)律。由于凝聚過(guò)程的隨機(jī)性,常規(guī)的試驗(yàn)方法很難觀察到隨機(jī)現(xiàn)象背后的規(guī)律,如今計(jì)算機(jī)模擬已成為繼理論推導(dǎo)、試驗(yàn)研究后的第三種科學(xué)研究方法。蒙特卡羅方法是一種適合模擬大規(guī)模量級(jí)粒子運(yùn)動(dòng)的計(jì)算機(jī)模擬方法。本文利用蒙特卡羅方法研究蒸發(fā)、下滲和重力影響下體系中粒子發(fā)生分形凝聚的條件及其凝聚動(dòng)力學(xué)特征。相關(guān)成果如下:(1)基于晶格模擬體系,構(gòu)建了分形凝聚的統(tǒng)一模型,并對(duì)其進(jìn)行了擴(kuò)展以適用于開放體系。首先,將粒子的凝聚過(guò)程抽象為擴(kuò)散和碰撞兩個(gè)步驟,并以此構(gòu)建分形凝聚的統(tǒng)一模型。其次,采用Java語(yǔ)言開發(fā)了對(duì)應(yīng)的模擬軟件,并利用Java3D技術(shù)實(shí)現(xiàn)了凝聚過(guò)程的可視化,并具有對(duì)凝聚過(guò)程進(jìn)行實(shí)時(shí)統(tǒng)計(jì)的功能。最后,本文以該統(tǒng)一模型為基礎(chǔ),將粒子的擴(kuò)散系數(shù)和凝聚概率設(shè)置為時(shí)間的函數(shù),構(gòu)建了適用于開放體系的概念模型。(2)以適用于開放體系的概念模型為基礎(chǔ)構(gòu)建了適用于蒸發(fā)體系的分形凝聚模型。在蒸發(fā)體系中,影響粒子運(yùn)動(dòng)的因素主要有兩個(gè):粒子的布朗運(yùn)動(dòng)和由表層水蒸發(fā)導(dǎo)致的表層團(tuán)簇的下降。研究結(jié)果表明,由布朗運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致的團(tuán)簇的隨機(jī)擴(kuò)散和與表層團(tuán)簇的下降作用具有競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系,在不同凝聚時(shí)期它們先后占據(jù)主導(dǎo)作用。在慢蒸發(fā)速率條件下,凝聚過(guò)程和基本凝聚模型相差不大,而在快蒸發(fā)速率條件下,蒸發(fā)對(duì)凝聚過(guò)程有明顯的加速作用。(3)以適用于開放體系的概念模型為基礎(chǔ)構(gòu)建了下滲體系的分形凝聚模型。在下滲體系中,影響粒子運(yùn)動(dòng)的因素也是兩個(gè):粒子的布朗運(yùn)動(dòng)和溶劑流失帶動(dòng)體系內(nèi)所有團(tuán)簇向下運(yùn)動(dòng),二者也存在競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系。研究結(jié)果表明,在快凝聚條件下,雖然小團(tuán)簇有較大機(jī)會(huì)形成大團(tuán)簇,但是隨著下滲速率的增大,流體帶動(dòng)團(tuán)簇下移的運(yùn)動(dòng)加劇,在垂直方向上將更大范圍地影響團(tuán)簇運(yùn)動(dòng)。而在慢凝聚條件下,粒子運(yùn)動(dòng)幾乎由下滲主導(dǎo),最終在底部形成一層致密的團(tuán)聚體。(4)以適用于開放體系的概念模型為基礎(chǔ)構(gòu)建了重力場(chǎng)作用下的分形凝聚模型。本文以前人構(gòu)建的非晶格模擬體系的重力沉降模型為基礎(chǔ),考慮凝聚和沉降的競(jìng)爭(zhēng)機(jī)制,構(gòu)建了適用于描述晶格模擬體系的重力沉降模型。結(jié)果表明團(tuán)簇大小和佩克萊數(shù)的取值是影響重力沉降作用強(qiáng)弱的關(guān)鍵,團(tuán)簇越大,受重力作用越明顯,佩克萊數(shù)越大,整個(gè)系統(tǒng)的重力沉降作用越明顯�？偟膩�(lái)說(shuō),本研究構(gòu)建的蒙特卡羅模擬模型既適用于描述一般膠體系統(tǒng)的分形凝聚,也適用于描述開放體系中的分形凝聚,模型在蒸發(fā)、下滲和重力場(chǎng)模擬體系中的應(yīng)用,驗(yàn)證了模擬軟件的可靠性與靈活性。本研究所提供的模擬軟件界面友好、交互性強(qiáng),可為相關(guān)學(xué)者研究納米粒子體系的分形凝聚提供技術(shù)支撐。
【圖文】：

圖 2-3 二維非晶格 DLA 單體凝聚模型示意圖體模型為 Vold 模型。當(dāng)單粒的平均自由粒以直線軌跡向凝聚體運(yùn)動(dòng)。與 DLA 模一個(gè)凝聚體的內(nèi)部。所以，最終形成的模型也有集團(tuán)模型，其集團(tuán)凝聚模型為 體模型為 Eden 模型。該模型與 DLA 模子之間發(fā)生碰撞即凝聚，，而 RLA 模型粒高凝聚概率的 RLA 模型和 DLA 模型相團(tuán)聚體比 DLA 模型致密，因?yàn)榈湍鄹湃菀走M(jìn)入已形成的團(tuán)簇的內(nèi)部。同樣的，其為 RLCA 模型。集團(tuán)模型可以被歸為：團(tuán)簇-團(tuán)簇凝聚模

西南大學(xué)碩士學(xué)位論文（3）模擬過(guò)程中數(shù)據(jù)的可視化提供可視化凝聚過(guò)程中的團(tuán)簇狀態(tài)的功能，方便觀察凝聚的不同時(shí)刻系統(tǒng)中的團(tuán)簇狀態(tài)圖。（4）模擬結(jié)果的保存模擬結(jié)束時(shí)，可將最終的凝聚結(jié)果導(dǎo)出，其包含聚集體所有粒子的信息。后續(xù)可以為開展其他研究工作提供服務(wù)，比如研究團(tuán)聚體的分散問(wèn)題時(shí)，可以導(dǎo)入該團(tuán)簇的信息作為初始團(tuán)簇。（5）團(tuán)簇信息統(tǒng)計(jì)功能為研究凝聚過(guò)程中的動(dòng)力學(xué)過(guò)程，模擬軟件統(tǒng)計(jì)體系中各級(jí)團(tuán)簇和團(tuán)簇重均的變化情況，提供展示模擬過(guò)程中各級(jí)團(tuán)簇隨時(shí)間變化圖和團(tuán)簇重均隨時(shí)間變化圖的功能。2. 模擬軟件主要界面展示（1）模擬軟件的主界面
【學(xué)位授予單位】：西南大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號(hào)】：O242.2;O552.6

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2667329