Гидродинамические взаимодействия и броуновские силы в коллоидных суспензиях: укрупнение по временным и пространственным масштабам

Подробно описан способ реализации крупномасштабной гибридной техники моделирования, сочетающей молекулярную динамику и стохастическую динамику вращения, которая учитывает совокупное действие броуновских и гидродинамических сил в коллоидных суспензиях. Подчеркивается важность тщательной настройки параметров моделирования для корректного разрешения множества временных и пространственных масштабов данной задачи. Систематически проанализировано, насколько предложенная схема укрупнения воспроизводит безразмерные гидродинамические числа, такие как число Рейнольдса Re, характеризующее значимость инерционных эффектов; число Шмидта Sc, показывающее, носит ли перенос импульса жидкоподобный или газоподобный характер; число Маха, характеризующее эффекты сжимаемости; число Кнудсена, описывающее значимость молекулярных эффектов, не учитываемых в континуальном приближении; и число Пекле, характеризующее относительный вклад конвективного и диффузионного переноса. При нахождении этих безразмерных чисел в соответствующих диапазонах многочисленные броуновские и гидродинамические временные масштабы можно объединить, повысив вычислительную эффективность и сохранив корректное описание физически значимых процессов. Также показано, как контролировать ряд численных артефактов, включая эффекты конечного размера и индуцированные растворителем притягивающие истощающие взаимодействия. При надлежащем учете всех этих факторов измеренные автокорреляционные функции скоростей коллоидных частиц, а также соответствующие коэффициенты самодиффузии и трения количественно согласуются с теоретическими расчетами. Напротив, эти расчеты показывают, что, несмотря на обманчивую простоту, базовое уравнение Ланжевена весьма плохо описывает скорость затухания автокорреляционной функции скорости в коллоидном режиме: оно значительно недооценивает ее на коротких временах и значительно переоценивает на длинных. Наконец, подробно обсуждается, как сопоставить параметры используемого метода с параметрами физических систем и извлечь из этого более общие выводы, помня при этом, что там...