利用气泡动力学打破扇贝定理的数值模拟研究
发布时间：2020-06-11 11:45
【摘要】：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。
【图文】：
图 1.1 具有不同运动机理的生物（a）草履虫（b）大肠杆菌（c）扇贝（d）鱼类通过对生物运动机理的总结，我们发现打破扇贝定理的方法之一是打破其周空间对称性。Janus 颗粒便是一类可以在结构上打破对称性的人工活性微纳颗粒能够利用非对称性结构从外部环境中获得能量，从而驱动自身不断运动[6]。.1.2 Janus 颗粒自驱动Janus 一词来源于古罗马神话，传说中古罗马的 Janus 双面神长着方向相反的幅面孔，分别可以代表入口和出口、开始和结束、过去和未来等[7]。1991 年 P.G.Dennes 在诺贝尔颁奖大会上首次提出了 Janus 颗粒的概念[8]。，Janus 颗粒是一类由理或化学性质不同的两部分组成的人工活性纳米颗粒的统称，其两个组成部分有不同的特性，，例如亲水/疏水性、正/负电荷、极性/非极性、光或磁性等[9]。图.2（a）为古罗马 Janus 双面神，图 1.2（b）为具有 A/B 两面不同特性的 Janus 颗。（a） （b）
1.1 具有不同运动机理的生物（a）草履虫（b）大肠杆菌（c）扇过对生物运动机理的总结，我们发现打破扇贝定理的方法对称性。Janus 颗粒便是一类可以在结构上打破对称性的人利用非对称性结构从外部环境中获得能量，从而驱动自身anus 颗粒自驱动nus 一词来源于古罗马神话，传说中古罗马的 Janus 双面神孔，分别可以代表入口和出口、开始和结束、过去和未来等 在诺贝尔颁奖大会上首次提出了 Janus 颗粒的概念[8]。，Ja化学性质不同的两部分组成的人工活性纳米颗粒的统称，同的特性，例如亲水/疏水性、正/负电荷、极性/非极性、为古罗马 Janus 双面神，图 1.2（b）为具有 A/B 两面不a） （b）
【学位授予单位】：西安建筑科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：O347.7
本文编号：2707856
【图文】：
图 1.1 具有不同运动机理的生物（a）草履虫（b）大肠杆菌（c）扇贝（d）鱼类通过对生物运动机理的总结，我们发现打破扇贝定理的方法之一是打破其周空间对称性。Janus 颗粒便是一类可以在结构上打破对称性的人工活性微纳颗粒能够利用非对称性结构从外部环境中获得能量，从而驱动自身不断运动[6]。.1.2 Janus 颗粒自驱动Janus 一词来源于古罗马神话，传说中古罗马的 Janus 双面神长着方向相反的幅面孔，分别可以代表入口和出口、开始和结束、过去和未来等[7]。1991 年 P.G.Dennes 在诺贝尔颁奖大会上首次提出了 Janus 颗粒的概念[8]。，Janus 颗粒是一类由理或化学性质不同的两部分组成的人工活性纳米颗粒的统称，其两个组成部分有不同的特性，，例如亲水/疏水性、正/负电荷、极性/非极性、光或磁性等[9]。图.2（a）为古罗马 Janus 双面神，图 1.2（b）为具有 A/B 两面不同特性的 Janus 颗。（a） （b）
1.1 具有不同运动机理的生物（a）草履虫（b）大肠杆菌（c）扇过对生物运动机理的总结，我们发现打破扇贝定理的方法对称性。Janus 颗粒便是一类可以在结构上打破对称性的人利用非对称性结构从外部环境中获得能量，从而驱动自身anus 颗粒自驱动nus 一词来源于古罗马神话，传说中古罗马的 Janus 双面神孔，分别可以代表入口和出口、开始和结束、过去和未来等 在诺贝尔颁奖大会上首次提出了 Janus 颗粒的概念[8]。，Ja化学性质不同的两部分组成的人工活性纳米颗粒的统称，同的特性，例如亲水/疏水性、正/负电荷、极性/非极性、为古罗马 Janus 双面神，图 1.2（b）为具有 A/B 两面不a） （b）
【学位授予单位】：西安建筑科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：O347.7
【参考文献】
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本文编号：2707856
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