微气泡生长与溃灭对邻近微球影响的数值模拟研究
发布时间：2021-10-21 18:19
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。
【文章来源】：应用力学学报. 2019,36(03)北大核心CSCD
【文章页数】：9 页
【部分图文】：
气泡速度函数图和半径变化图Fig.3Relationshipofbubblevelocityandradiuswithtime
第3期闫聪聪，等：微气泡生长与溃灭对邻近微球影响的数值模拟研究583同，而流体的流动方向相反，在生长阶段气泡周围的流体被推开，溃灭阶段则是流向气泡的。由模拟结果可知，在气泡驱动的整个过程中平均速度U约为10-4m/s，则Re约为10-3，始终满足低雷诺数条件。图3气泡速度函数图和半径变化图Fig.3Relationshipofbubblevelocityandradiuswithtime图4对称生长/溃灭下的流场分布云图Fig.4Distributionsofamplitudeanddirectionofvelocityundergoingasymmetricalgrowth/collapsing由于气泡运动引起的边界流量变化，如上所述，在相对坐标下边界流量直接反映了Janus微球的运动速度。为简化起见，直接讨论流量变化，所得到的规律与微球速度定性一致。模型中规定，上边界流体流入为负，流出为正，下边界与之相反。在一个气泡生长与溃灭的周期内，通过边界的总流量可用瞬时流量的积分来表示。定义上边界生长阶段总流量为Ve，溃灭阶段总流量为Vc，上边界净流量为Vn，则有1d2ee002ddTRVrwrt(7)123d12cc022ddTTTRTVrwrt(8)necVVV(9)式中：w为速度在z方向的分量；ew为生长阶段的速度；cw为溃灭阶段的速度；r为计算域r方向坐标；Rd为计算域的最大尺度。扇贝定理中物体做周期性运动，为了使模拟更符合实际情况，模拟中气泡的生长与溃灭设置为周期性。图5给出了其中一个完整周期内通过的瞬时流量图，其中上边界为Q，下边界为Q。可见，瞬时流量随着边界周期性运动发生周期性变化，但由于固体微球存在上、下边界的流量并不相等。进一步由式(7)~式
量可用瞬时流量的积分来表示。定义上边界生长阶段总流量为Ve，溃灭阶段总流量为Vc，上边界净流量为Vn，则有1d2ee002ddTRVrwrt(7)123d12cc022ddTTTRTVrwrt(8)necVVV(9)式中：w为速度在z方向的分量；ew为生长阶段的速度；cw为溃灭阶段的速度；r为计算域r方向坐标；Rd为计算域的最大尺度。扇贝定理中物体做周期性运动，为了使模拟更符合实际情况，模拟中气泡的生长与溃灭设置为周期性。图5给出了其中一个完整周期内通过的瞬时流量图，其中上边界为Q，下边界为Q。可见，瞬时流量随着边界周期性运动发生周期性变化，但由于固体微球存在上、下边界的流量并不相等。进一步由式(7)~式(9)求得上边界不同阶段的总流量Ve=-0.19nL、Vc=0.24nL、净流量Vn=0.05nL。同样求得下边界的总流量eV0.28nL、cV0.33nL、净流量nV0.05nL。定义相对流量为nbmaxVV(10)其中：Vbmax为气泡的最大体积，Vbmax=0.065nL；δ=0.76，即一个气泡周期的运动可以带动约0.76倍气泡体积的流量。由于水为不可压缩流体，单独在生长或溃灭阶段，上、下边界的流量应与气泡体积变化一致，上述数据基本满足这一关系，由此说明了模型的正确性。图5对称生长/溃灭下的边界瞬时流量图Fig.5Instantaneousflowratesatdifferentboundariesundergoingasymmetricalgrowth/collapsing需要说明的是，这里气泡驱动的过程中Re约为10-3，尽管为很小的数值，但并不足以彻底忽略惯性的影响，这一点可由零时刻的速度来说明。由
【参考文献】：
期刊论文
[1]微尺度空泡溃灭驱使微球运动的机理研究[J]. 魏梦举,陈力,伍涛,张鸿雁,崔海航. 物理学报. 2017(16)
[2]气泡推进型中空Janus微球运动特性的实验研究[J]. 张静,郑旭,王雷磊,崔海航,李战华. 实验流体力学. 2017(02)
[3]脉冲磨料射流中球泡溃灭特性研究及数值分析[J]. 卢义玉,李晓红,康勇,焦斌权. 应用力学学报. 2006(02)
[4]固壁空蚀数值研究[J]. 胡影影,朱克勤,席葆树. 应用力学学报. 2004(01)
本文编号：3449492
【文章来源】：应用力学学报. 2019,36(03)北大核心CSCD
【文章页数】：9 页
【部分图文】：
气泡速度函数图和半径变化图Fig.3Relationshipofbubblevelocityandradiuswithtime
第3期闫聪聪，等：微气泡生长与溃灭对邻近微球影响的数值模拟研究583同，而流体的流动方向相反，在生长阶段气泡周围的流体被推开，溃灭阶段则是流向气泡的。由模拟结果可知，在气泡驱动的整个过程中平均速度U约为10-4m/s，则Re约为10-3，始终满足低雷诺数条件。图3气泡速度函数图和半径变化图Fig.3Relationshipofbubblevelocityandradiuswithtime图4对称生长/溃灭下的流场分布云图Fig.4Distributionsofamplitudeanddirectionofvelocityundergoingasymmetricalgrowth/collapsing由于气泡运动引起的边界流量变化，如上所述，在相对坐标下边界流量直接反映了Janus微球的运动速度。为简化起见，直接讨论流量变化，所得到的规律与微球速度定性一致。模型中规定，上边界流体流入为负，流出为正，下边界与之相反。在一个气泡生长与溃灭的周期内，通过边界的总流量可用瞬时流量的积分来表示。定义上边界生长阶段总流量为Ve，溃灭阶段总流量为Vc，上边界净流量为Vn，则有1d2ee002ddTRVrwrt(7)123d12cc022ddTTTRTVrwrt(8)necVVV(9)式中：w为速度在z方向的分量；ew为生长阶段的速度；cw为溃灭阶段的速度；r为计算域r方向坐标；Rd为计算域的最大尺度。扇贝定理中物体做周期性运动，为了使模拟更符合实际情况，模拟中气泡的生长与溃灭设置为周期性。图5给出了其中一个完整周期内通过的瞬时流量图，其中上边界为Q，下边界为Q。可见，瞬时流量随着边界周期性运动发生周期性变化，但由于固体微球存在上、下边界的流量并不相等。进一步由式(7)~式
量可用瞬时流量的积分来表示。定义上边界生长阶段总流量为Ve，溃灭阶段总流量为Vc，上边界净流量为Vn，则有1d2ee002ddTRVrwrt(7)123d12cc022ddTTTRTVrwrt(8)necVVV(9)式中：w为速度在z方向的分量；ew为生长阶段的速度；cw为溃灭阶段的速度；r为计算域r方向坐标；Rd为计算域的最大尺度。扇贝定理中物体做周期性运动，为了使模拟更符合实际情况，模拟中气泡的生长与溃灭设置为周期性。图5给出了其中一个完整周期内通过的瞬时流量图，其中上边界为Q，下边界为Q。可见，瞬时流量随着边界周期性运动发生周期性变化，但由于固体微球存在上、下边界的流量并不相等。进一步由式(7)~式(9)求得上边界不同阶段的总流量Ve=-0.19nL、Vc=0.24nL、净流量Vn=0.05nL。同样求得下边界的总流量eV0.28nL、cV0.33nL、净流量nV0.05nL。定义相对流量为nbmaxVV(10)其中：Vbmax为气泡的最大体积，Vbmax=0.065nL；δ=0.76，即一个气泡周期的运动可以带动约0.76倍气泡体积的流量。由于水为不可压缩流体，单独在生长或溃灭阶段，上、下边界的流量应与气泡体积变化一致，上述数据基本满足这一关系，由此说明了模型的正确性。图5对称生长/溃灭下的边界瞬时流量图Fig.5Instantaneousflowratesatdifferentboundariesundergoingasymmetricalgrowth/collapsing需要说明的是，这里气泡驱动的过程中Re约为10-3，尽管为很小的数值，但并不足以彻底忽略惯性的影响，这一点可由零时刻的速度来说明。由
【参考文献】：
期刊论文
[1]微尺度空泡溃灭驱使微球运动的机理研究[J]. 魏梦举,陈力,伍涛,张鸿雁,崔海航. 物理学报. 2017(16)
[2]气泡推进型中空Janus微球运动特性的实验研究[J]. 张静,郑旭,王雷磊,崔海航,李战华. 实验流体力学. 2017(02)
[3]脉冲磨料射流中球泡溃灭特性研究及数值分析[J]. 卢义玉,李晓红,康勇,焦斌权. 应用力学学报. 2006(02)
[4]固壁空蚀数值研究[J]. 胡影影,朱克勤,席葆树. 应用力学学报. 2004(01)
本文编号：3449492
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