一种基于多体耗散粒子动力学模拟获取液滴接触角的方法

1.本发明属于液滴分子模拟领域，具体地，涉及一种基于多体耗散粒子动力学模拟获取液滴接触角的方法。


背景技术：

2.液滴是微流体最常见的形式，随着人们对液滴越发深刻的认识，人们在微流控中采用的液滴体积也越来越小。目前在微流控中广泛采用的液滴常小于1μl。这种微体积液滴的运动特性往往难以用实验的方式观察，因此利用计算机模拟成为了研究液滴的主要手段之一。多体耗散粒子动力学(mdpd)作为一种粗粒化粒子模拟手段，有着可以在大的时间尺度上模拟微米级液滴的优势，因此被广泛的用于液滴的模拟。
3.液滴在固体表面的静态接触角是描述该液体在固体表面润湿性的一个重要参数，而动态接触角是研究液滴在疏水表面上运动的一个重要参数。接触角测量技术在微流控芯片、疏水表面制造、液滴收集、防冻防霜等领域都有着重要的应用。在实验研究中可以使用接触角测量仪对接触角进行测量，而在粒子模拟中并没有标准程序来测量液滴接触角。一种常用的方法是将液滴视为一个完美的半球进行接触角测量。而当引入重力作用后液滴为完美半球的假设失效，导致接触角测量精度低。当测量液滴在倾斜表面迁移过程中动态接触角时，固体基底模型过大会出现计算机算力不足的问题，而减小固体基底模型液滴又会导致液滴很快脱离倾斜基底造成数据采集量过少。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于提供一种基于多体耗散粒子动力学模拟获取液滴接触角的方法，该基于多体耗散粒子动力学获取液滴润湿性的方法提供了根据液滴在固体基底的润湿过程及迁移过程预测液滴在不同倾斜角度固体基底的静态、动态接触角。
5.为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种基于多体耗散粒子动力学模拟获取液滴接触角的方法，包括如下步骤：
6.a)建立初始模型体系，包括：
7.在lammps软件中建立周期性模拟区域；
8.构建液滴和固体基底多体耗散粒子动力学(mdpd)粗粒化液滴数值模型；
9.设定液滴粒子、固体粒子相互作用力；
10.对液滴施加不同方向加速度g，模拟重力加速度作用；
11.获取固体基底不同倾斜角度α模型；
12.b)模型计算，包括：
13.针对每一倾斜角度基底执行：
14.利用修正velocity-verlet算法更新每个粒子的位置和速度；
15.对模型进行弛豫，使模型达到平衡状态；
16.将液滴模型中每个粒子位置随时间变化的信息输出到.lammpstrj文件内；
17.c)获取三项接触线处液滴轮廓坐标点，包括：
18.针对每一倾斜角度基底执行：
19.利用ovito软件读取步骤b)中所述.lammpstrj文件，将数值模型可视化，获取液滴在不同固体基底倾斜角度α下的运动动画；
20.将运动动画中n个时刻液滴左右两侧三项接触线处分别标记一组弧形液滴粒子子集a、b；
21.针对每一时刻获取子集a和子集b执行：分别将子集a、b中液滴粒子在笛卡尔坐标系下坐标信息保存在2个txt文本中；
22.d)拟合圆曲线，获取接触角，包括：
23.针对每一时刻获取子集a和子集b执行：
24.利用matlab软件分别读取步骤c)中所述保存有子集a坐标信息的txt文本和保存有子集b坐标信息的txt文本；
25.利用最小二乘法和子集a中粒子坐标信息拟合第一圆曲线，利用最小二乘法和子集b中粒子坐标信息拟合第二圆曲线；
26.令子集a中三项接触线处粒子坐标点为点a，过点a做水平直线p1，过p1与第一圈曲线交点做切线l1，l1与p1所形成夹角为接触角θ1；
27.令子集b中三项接触线处粒子坐标点为点b，过点b做水平直线p2，过p2与第一圈曲线交点做切线l2，l2与p2所形成夹角为接触角θ2；
28.e)获取每一基底倾斜角度和对应的静或动态接触角曲线图，包括：
29.针对每一倾斜角度基底执行：
30.将n个时刻获取θ1、θ2求平均值获取θ
1*
、θ
2*
；
31.利用每一倾斜角度基底获取的θ
1*
、θ
2*
绘制折线图，获取每一基底倾斜角度和对应的静或动态接触角折线图。
32.所述步骤a)中施加加速度g的大小始终为0.000845dpd单位；加速度g的方向可以通过g的空间向量修改，基底位置始终不变，通过加速度方向与基底形成不同夹角计算模拟出基底不同倾斜角度α；
33.所述步骤a)中所述周期性模拟区域与可调整方向的加速度g配合下，保证液滴在一侧滑落出模拟区域时可以从另一侧重新回到固体基底，而不会脱离固体基底，保证模拟的连续性。
34.所述步骤c)中弧形子集a和b的高度为液滴总高度h的15％左右；子集的中粒子选取方法为，从三项接触线交点处沿液滴轮廓依次向上选取；
35.所述固体基底倾斜角度α，其特征在于，所述α为0
°
时，所测得θ1、θ2均为静态接触角；所述α大于0
°
时，液滴开始向一侧滑动，所测得θ1、θ2均为动态接触角；所述动态接触角包括：前进接触角、后退接触角；液滴前进侧θ为前进接触角，液滴后退侧θ为后退接触角；
36.本发明的有益效果为：
37.1、该方法可以在多体耗散力子动力学模拟中有效获取液滴在运动过程中的动态接触角，同时提高液滴在重力作用下测量静态接触角的精度。
38.2、该方法可以利用周期性边界与可改变方向的加速度配合，获取液滴长距离长时间迁移中动态接触角，提高动态接触角测量精度。
附图说明
39.图1为本发明的整体流程图；
40.图2为不同角度加速度g与不同基底倾斜角度α示意图；
41.图3为本发明模拟方法与常规模拟方法对比图；
42.图4为弧形子集a、b位置示意图；
43.图5为第一圆曲线示意图；
44.图6为第二圆曲线示意图；
45.图7为每一基底倾斜角度和对应的静或动态接触角折线图。
具体实施方式
46.下面通过具体实施例结合附图对本发明进行说明，但本发明并不限制于此。下述实施例中所使用模拟方法无特殊说明，均为常规方法，可通过查阅相关资料获得。
47.实施例1：如图1-7所示，
48.以80w/w％甘油/水混合液滴为例，来阐述上述基于多体耗散粒子动力学确定液滴静态、动态接触角的方法：
49.a)建立初始模型体系，包括：
50.(1)在lammps软件中建立大小为100
×
60
×
60dpd单位周期性模拟区域；在多体耗散力子动力学模拟中均采用通过无量纲化处理过的dpd单位。
51.(2)在模拟区域内构建液滴和固体基底粗粒化模型。可选得，设定液滴直径为15，密度为6，固体基底尺寸为100
×4×
40，密度为12。
52.(3)设定液滴粒子、固体粒子相互作用力；优选得，通过查阅相关资料获取液滴粒子和固体粒子之间吸引力参数、排斥力参数等信息。
53.(4)如图2所示，对液滴施加不同方向加速度g；优选得，选取加速的g的大小为0.000845；可选得，分别选取4个不同方向的加速度g。
54.(5)如图2所示，获取固体基底不同倾斜角度α模型；通过加速度g与基底在xy平面上的4个夹角计算得到基底4个不同倾斜角度α分别为0
°
、15
°
、30
°
、45
°
。
55.如图3所示，通过修改加速度g的方向与周期性边界配合，液滴在倾斜基底划过周期性边界时会从另一端返回基底上，以达到长时间收集数据提高测量精度的目的。
56.b)模型计算，包括：
57.针对每一不同倾斜角度基底执行：
58.(1)利用修正velocity-verlet算法更新每个粒子的位置和速度；
59.(2)对模型进行40000步弛豫，使模型达到平衡状态；
60.(3)对模型进行100000步迭代计算将液滴模型中每个粒子位置随时间变化的信息输出到.lammpstrj文件内；
61.c)获取三项接触线处液滴轮廓坐标点，包括：
62.针对每一倾斜角度基底执行：
63.(1)如图2所示，利用ovito软件读取步骤b)中所述.lammpstrj文件，将数值模型可视化；
64.(2)如图4所示，优选得，将运动动画中每隔10000步在液滴左右两侧三项接触线处
分别标记一组弧形液滴粒子子集a、b，共获取10个时刻子集a、b。
65.优选得，子集a、b的高度约为液滴高度h的15％左右。
66.(3)针对每一时刻获取子集a和子集b执行：分别将子集a、b中液滴粒子在笛卡尔坐标系下坐标信息保存在2个txt文本中；
67.d)拟合圆曲线，获取接触角，包括：
68.针对每一时刻获取子集a和子集b执行：
69.(1)利用matlab软件分别读取步骤c)中所述保存有子集a坐标信息的txt文本和保存有子集b坐标信息的txt文本；
70.(2)利用最小二乘法和子集a中粒子坐标信息拟合第一圆曲线，利用最小二乘法和子集b中粒子坐标信息拟合第二圆曲线；
71.(3)如图5所示，令子集a中三项接触线处粒子坐标点为点a，过点a做水平直线p1，过p1与第一圈曲线交点做切线l1，l1与p1所形成夹角为接触角θ1；
72.(4)如图6所示令子集b中三项接触线处粒子坐标点为点b，过点b做水平直线p2，过p2与第一圈曲线交点做切线l2，l2与p2所形成夹角为接触角θ2；
73.e)获取每一基底倾斜角度和对应的静或动态接触角曲线图，包括：
74.针对每一倾斜角度基底执行：
75.(1)将10个时刻获取θ1、θ2求平均值获取θ
1*
、θ
2*
；
76.(2)如图7所示，利用每一倾斜角度基底获取的θ
1*
、θ
2*
绘制折线图，获取每一基底倾斜角度和对应的静或动态接触角折线图。
77.可知：α＝0对应静态接触角θ
1*
＝θ
2*
＝130
°
、α＝15对应前进接触角θ
1*
＝132
°
后退接触角θ
2*
＝126
°
、α＝30对应前进接触角θ
1*
＝142
°
后退接触角θ
2*
＝119
°
、α＝45对应前进接触角θ
1*
＝154
°
后退接触角θ
2*
＝108
°
。
78.本发明实现了在在多体耗散力子动力学模拟中引入重力作用的情况下，模拟液滴在倾斜固体基底长距离迁移，更加准确的测量液滴的静态接触角和动态接触角。
79.以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。