Flow of multiparticle collision dynamics fluids confined by physical barriers

Abstract

En los últimos años, la Dinámica Colisional de Múltiples Partículas (MPC, por sus siglas en inglés), se ha convertido en una herramienta computacional muy poderosa que permite hacer simulaciones de fluidos con características muy parecidas a las de un sistema real. Recientemente, hemos presentado un método que permite confinar fluidos de MPC en geometrías complejas el cual está basado en el uso de fuerzas explícitas (Ayala-Hernández and Híjar, 2016). En este trabajo extendemos este método para llevar a cabo simulaciones de flujo en una geometría planar delgada. Lo anterior se logra al introducir dos superficies sólidas planas y paralelas, constituidas por partículas que interactúan con las partículas de fluido de MPC por medio de fuerzas repulsivas explícitas. Probamos la aplicabilidad del método propuesto en simulaciones de un fluido confinado entre los dos planos paralelos y sujeto a un campo de fuerza uniforme. Encontramos que nuestro modelo reproduce el flujo de Poiseuille plano previsto por la hidrodinámica, con condiciones de frontera de deslizamiento. Llevamos a cabo una gran cantidad de experimentos numéricos, variando los parámetros de simulación en un rango amplio y realizamos mediciones para caracterizar al fluido y a la interacción fluido-sólido, e. g., el deslizamiento en la frontera sólida y la viscosidad efectiva del fluido. Finalmente, determinamos las condiciones para las cuales pueden ser simulados flujos de Poiseuille con condiciones de frontera de no deslizamiento.

In the last years, Multiparticle Collision Dynamics (MPC) has become a major computational tool that allows for simulating fluids with properties closely resembling those of a physical fluid. Recently, we have introduced a methodology for confining MPC fluids in complex geometries based on the use of explicit forces (Ayala-Hernandez and Híjar, 2016). In this work, we extend this method in order to simulate flow in a slitlike geometry. This is achieved by introducing two solid parallel plane surfaces consisting of particles that interact with the particles of the MPC fluid by means of explicit repulsive forces. We test the applicability of the proposed technique in simulations of fluids confined between these parallel planes and subjected to a uniform force field. We find that our model yields the correct plane Poiseuille flow expected from hydrodynamics with slip boundary conditions. We carry out a large amount of numerical experiments in which the simulations parameters are varied in a wide range, in order to measure important quantities characterizing the flow and the fluid-solid interaction, e.g., the slip at the solid boundary and the effective viscosity of the fluid. Finally, we determine the conditions for which plane Poiseuille flows with stick boundary condition can be simulated.