[论文解读] Inertia, coarsening and fluid motion in binary mixtures

M. E. Cates, Viv Kendon+2 more|ArXiv.org|Jul 31, 1999

Lattice Boltzmann Simulation Studies参考文献 2被引用 4

一句话总结

本文通过介观模拟研究了相分离二元混合物中惯性驱动的流体运动与粗化动力学。研究挑战了Doi-Ohta标度理论，表明在剪切作用下，系统可能发展出取向的畴结构，粗化过程可无限持续，直至受到惯性或有限系统尺寸的限制，而非如理论预测的那样达到稳态畴尺寸。

ABSTRACT

Symmetric binary fluids, quenched into a regime of immiscibility, undergo phase separation by spinodal decomposition. In the late stages, the fluids are separated by sharply defined, but curved, interfaces: the resulting Laplace pressure drives fluid flow. Scaling ideas (of Siggia and of Furukawa) predict that, ultimately, this flow should become turbulent as inertial effects dominate over viscous ones. The physics here is complex: mesoscale simulation methods (such as Lattice Boltzmann and Dissipative Particle Dynamics) can play an essential role in its elucidation, as we describe. Likewise, it is a matter of experience that immiscible fluids will mix, on some lengthscale at least, if stirred vigorously enough. A scaling theory (of Doi and Ohta) predicts the dependence of a steady state domain size on shear rate, but assumes low Reynolds number (inertia is neglected). Our preliminary simulation results (three-dimensional, so far only on small systems) show little sign of the kind of steady state envisaged by Doi and Ohta; they raise instead the possibility of an oriented domain texture which can continue to coarsen until either inertial effects, or (in our simulations) finite size effects, come into play.

研究动机与目标

• 理解对称二元混合物在后期相分离过程中惯性在流体运动中的作用。
• 检验剪切流是否如Doi-Ohta标度理论所预测的那样导致稳态畴尺寸。
• 研究三维模拟中惯性效应、粘性力与粗化动力学之间的相互作用。
• 评估现有剪切诱导相分离标度理论中低雷诺数假设的局限性。
• 探索有限尺寸系统中持续剪切作用下有序畴结构的出现及其演化。

提出的方法

• 采用三维介观模拟方法，包括格子Boltzmann方法和耗散粒子动力学（DPD），模拟二元流体的相分离。
• 将系统淬火至不相容区域，使其自发发生相分离并形成界面。
• 施加稳态剪切流，研究外力作用下畴结构的响应。
• 分析随时间推移的畴尺寸与形貌演化，重点关注取向结构的出现。
• 运用Siggia与Furukawa的标度思想，解释从粘性主导到惯性主导流态的过渡。
• 将模拟结果与Doi-Ohta理论的预测进行对比，该理论假设雷诺数较低且行为为稳态。

实验结果

研究问题

• RQ1 剪切流是否如Doi-Ohta理论所预测的那样在二元混合物中导致稳态畴尺寸？
• RQ2 惯性在相分离过程中驱动流体运动并改变粗化动力学的作用是什么？
• RQ3 在缺乏稳态平衡的情况下，取向畴结构是否能持续存在并继续粗化？
• RQ4 当惯性效应变得显著时，有限尺寸效应如何影响粗化过程？
• RQ5 介观模拟在多大程度上挑战了剪切诱导相分离中低雷诺数近似的有效性？

主要发现

• 模拟结果未显示剪切作用下存在稳态畴尺寸的明确证据，与Doi-Ohta预测相矛盾。
• 系统并未达到平衡，而是发展出持续随时间粗化的取向畴结构。
• 粗化过程持续进行，直至惯性效应或有限系统尺寸限制了进一步生长。
• 惯性效应在后期阶段似乎主导于粘性力，表明可能存在向湍流样流态动力学的转变。
• 介观模拟揭示了由弯曲界面处的拉普拉斯压强驱动的复杂流体运动，且在剪切作用下进一步增强。
• 研究结果表明，当惯性效应变得显著时，Doi-Ohta标度理论可能不再适用。