气泡驱动圆锥状微纳马达动力学行为理论研究

发布时间：2020-07-16 07:33

【摘要】：微纳马达是一种利用其他形式的能转化为动能,并能执行微纳尺度任务的微纳米结构。这种微纳结构通常具有尺寸小、重量轻、能耗低、推重比大等特点,在细胞分离、药物传递、微纳尺度手术、环境检测与修复中有着广泛的应用前景。微纳马达的类型繁多,根据其驱动形式可以分为:气泡驱动微纳马达、自电泳微纳马达、自扩散微纳马达、外场驱动微纳马达等;根据其几何形状的不同,又可以分为:圆锥形微纳马达、圆柱形微纳马达、管状微纳马达、球形微纳马达、壳状微纳马达等。其中,气泡驱动圆锥状微纳马达是一类应用最为广泛的微纳马达。气泡驱动圆锥状微纳马达的驱动过程是一个复杂的物理和化学过程;该驱动过程既涉及到化学反应,也涉及到气、固、液三相的多物理场耦合等复杂问题。尽管有学者对其驱动机理进行了一些探索性的研究,然而从目前的研究结果看,关于其驱动机理学者们仍有许多不同看法,其运动的动力学理论还不够完善。因此,本文围绕气泡驱动微纳马达的驱动机理和动力学理论,在气泡生长机理和喷射过程的理论建模以及微纳马达的几何尺寸、气泡和周围流场与其动力学性能的关系开展了研究。论文的主要研究内容及成果如下:1、研究了气泡在圆锥状微纳马达内部生长过程,考察了微纳马达的几何尺寸、气泡以及流场物理性质与气泡驱动力之间的关系。首先通过理论分析,研究了不同过氧化氢溶液中,不同尺寸圆锥状微纳马达内部气泡的体积变化对内部流场的影响规律,并在此基础上建立了气泡在成核、生长以及喷射过程中驱动力理论模型;随后,采用Fluent流体动力学分析软件模拟了气泡在圆锥状微纳马达内部的成核过程,并依据数值模拟结果完善了气泡在成核阶段的驱动力模型;最后,采用上述模型,分析了微纳马达几何尺寸、气泡和流场物理性质对其驱动力的影响。2、分析了气泡驱动圆锥状微纳马达在驱动过程中流体阻力的作用形式,建立了微纳马达几何尺寸、气泡以及流场物理性质与流体阻力之间的关系。首先将气泡驱动圆锥状微纳马达在运动过程中所受到的流体阻力做无量纲化处理,利用微纳马达的阻力系数来代替流体阻力;随后,利用Fluent流体动力学分析软件计算不同条件下,不同尺寸的圆锥状微纳马达在运动过程中的流体阻力与阻力系数;之后,根据数值模拟结果建立圆锥状微纳马达阻力系数与流体雷诺数、半锥角和长径比之间的关系,并在此基础上建立气泡驱动圆锥状微纳马达阻力模型;最后,分析了微纳马达几何尺寸、气泡以及流场物理性质对其阻力的影响。3、分析了气泡驱动圆锥状微纳马达在驱动过程中的受力形式,建立了微纳马达的几何尺寸、气泡以及流场物理性质与动力学性能之间的关系。首先根据所建立的气泡喷射阶段驱动力模型以及阻力模型,建立了气泡驱动圆锥状微纳马达的动力学模型;随后,分析了影响气泡驱动圆锥状微纳马达运动速度的因素;最后,讨论了提高气泡驱动圆锥状微纳马达运动速度的方法。
【学位授予单位】：武汉理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：O313
【图文】：

（c）棒状微纳马达[25]（d）球状微纳马达[26]（e）壳状微纳马达[27]图 1-1 不同几何形状的微纳马达气泡驱动圆锥状微纳马达的驱动过程是一个复杂的物理和化学过程，其驱动过程，既涉及到化学反应，也涉及到气、固、液三相的多物理场耦合问题。在这个过程中，化学反应生成的气泡在微纳马达内部成核、生长，直至从微纳马达尾部喷射出去，最终在液体环境中湮灭。气泡在生长、喷射和湮灭过程中会改变微纳马达周围的流场，同时喷射带来的动量也赋予了马达足够的驱动力，从而驱动圆锥状微纳马达向前运动；在马达向前运动时，周围流体会对微纳马达产生流体阻力，从而阻碍微纳马达向前运动；马达所处的流体运动通常是一个低雷诺数的流体运动，此时，粘性力在流体运动中占据主导地位。因此，气泡驱动圆锥状微纳马达的运动是一个在低雷诺数、粘性力的复杂流场环境中微纳马达、气泡以及周围流体三者互相影响、互相耦合的过程。在这个过程中，各种因素的复杂性以及微纳米尺度下流体的运动难以预测性，使得微纳马达的动力学行为受多方面因素的影响，既具有一定的复杂性，也具有一定特殊性[28]。因此，对于气泡驱

得微分方程在无穷小的控制体中满足；在整个计算域的计算流体力学的控制方程，无论是连续性方程、动以写成如下通用形式：( )div ( ) div ( grad)uu Stρ φρ φ Γ φ + = + 变量，例如速度、温度或浓度等。Γ 是相应于φ 的广义其中变量φ 在边界上的值是已知的。

气泡驱动圆锥状微纳马达驱动机理泡驱动圆锥状微纳马达主要由两层不同的物质构成。外层是一层稳，内层是一层活性金属锌。如图 2-2 所示，气泡驱动圆锥状微纳马达属锌与过氧化氢溶液反应，在圆锥状微纳马达内部生成气泡。气泡在部生长直至气泡从圆锥状微纳马达尾部喷射。据气泡的形成过程可以将微纳马达的推进过程分为四个阶段：气泡泡生长阶段、气泡喷射阶段和气泡湮灭阶段[54]。气泡成核阶段主要状微纳马达内部活性金属与过氧化氢溶液反应生成小气泡，由于表用，小气泡会附着在微纳马达的内壁上。随着化学反应的进行，气体附着在微纳马达内表面上的气泡不断生长并向圆锥状微纳马达尾端运泡从微纳马达尾部喷射出。

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本文编号：2757718