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作者：闫聪聪西安建筑科技大学

学位级别：硕士

Janus颗粒的气泡自驱动实验揭示了在微尺度下气泡与邻近Janus颗粒间存在强烈的相互作用,并且能够驱动Janus颗粒快速运动,但受限于高速摄像机的拍摄速度,实验无法给出二者相互作用的直接力学信息。为研究这一问题,本文采用数值模拟方法... 详细信息

Janus颗粒的气泡自驱动实验揭示了在微尺度下气泡与邻近Janus颗粒间存在强烈的相互作用,并且能够驱动Janus颗粒快速运动,但受限于高速摄像机的拍摄速度,实验无法给出二者相互作用的直接力学信息。为研究这一问题,本文采用数值模拟方法将虚拟壁面的膨胀与收缩类比于微气泡的生长与溃灭,借助COMSOL Multiphysics多物理场耦合模拟平台,采用有限元方法对Janus颗粒的气泡驱动过程进行模拟。首先,在Janus颗粒气泡驱动实验基础上,对模型进行合理简化,建立Janus颗粒气泡驱动数值模型,并利用扇贝定理对模型进行验证。扇贝定理指低雷诺数(Re数)下物体在不可压缩牛顿流体中做几何形变可逆性的运动时,其净位移必为零。由其内容可知,模拟可逆性、单自由度的边界运动并不会使Janus颗粒产生有效运动。通过对模型中边界流量的分析得出,在一个气泡生长与溃灭周期内,流体域上、下边界的净流量近似为零,与扇贝定理相符,从而验证了模型的正确性及有限元方法模拟气泡驱动的可行性。其次,由Janus颗粒气泡驱动实验可知,微气泡生长缓慢而溃灭迅速,并不具备微尺度流动问题的可逆性,因此本文利用验证后的模型,进一步对非可逆性、单自由度的边界运动进行模拟。通过对边界流量分析得出,在一个气泡生长溃灭周期内,流体域上、下边界均有净流量产生,即Janus颗粒有净位移产生,说明气泡动力学能够打破扇贝定理的理论约束,其原因为气泡高速溃灭阶段Re数显著增大,引入的惯性力驱使Janus颗粒产生净位移。最后,分别研究Janus颗粒尺寸、气泡尺寸、气泡溃灭阶段的特征速度以及滑移长度等对气泡驱动过程的影响,得出Janus颗粒尺寸的增大会阻碍气泡驱动过程,而气泡尺寸和溃灭阶段特征速度的增大可促进气泡驱动过程,滑移长度对气泡驱动过程的影响甚微。

关键词：扇贝定理 Janus颗粒自驱动气泡溃灭

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微气泡生长与溃灭对邻近微球影响的数值模拟研究

引用

应用力学学报 2019年第3期36卷 580-587,758页

作者：闫聪聪崔海航张鸿雁陈力刘雅琳西安建筑科技大学环境与市政工程学院西安710055

球形微马达的气泡自驱动实验揭示了微尺度气泡与邻近微球存在着强烈的相互作用,并驱动微球快速运动,但受限于条件,实验无法给出二者相互作用的关键力学因素。为研究这一问题,将微气泡的生长与溃灭类比于虚拟壁面的膨胀与收缩,采用有限... 详细信息

球形微马达的气泡自驱动实验揭示了微尺度气泡与邻近微球存在着强烈的相互作用,并驱动微球快速运动,但受限于条件,实验无法给出二者相互作用的关键力学因素。为研究这一问题,将微气泡的生长与溃灭类比于虚拟壁面的膨胀与收缩,采用有限元分析法模拟研究了这一瞬态流动。结果表明,微气泡生长与溃灭不具备微尺度流动的可逆性,高速溃灭会使得雷诺数Re显著增大,引入的惯性力驱使邻近微马达产生净位移。这一研究给出了利用气泡动力学打破微尺度游动扇贝定理的新力学机制,并对Janus微马达气泡高效驱动的现象进行了合理解释。

关键词：扇贝定理微马达自驱动气泡溃灭

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