楔形螺旋曲面气泡的定向输运机理及应用

发布时间：2020-06-04 05:41

【摘要】：在大自然和人们的日常生活中,气泡的定向输运现象时时刻刻都在发生,并发挥着日益重要的作用。关于气泡在平面的输运已经进行了较多的理论研究和试验分析,但关于曲面这一更加普遍的存在,特别是螺旋曲面,却缺乏系统的理论和实验研究。螺旋曲面在结构上具有连续不对称性,即曲率因位置不同而连续发生变化,适合气泡的持续输运。但是,对于气泡的输运,螺旋曲面本身也存在一些不足,诸如当气泡靠近曲率中心时,输运速度较快;当气泡接近曲率边缘时,输运速度较慢,特别是曲率梯度较小的曲率边缘,运动速度接近0,近乎于停滞状态。为解决这一问题,本文采用理论与实验相结合的方式,从热力学角度出发,推导了在螺旋曲面的上气泡的自由能和驱动力,并结合实验现象,分析了气泡在螺旋曲面基底上的定向输运行为。利用楔形与曲率相结合的方法,改善了气泡接近曲率边缘时运动速率较小的状况,同时探讨分析了气泡在水下输运所考虑的各种问题。将楔形湿滑螺旋曲面应用到水下,实现了气泡的反重力输运、反浮力输运、气泡微反应演化器的应用;将楔形螺旋曲面应用到析氢反应中,实现了气泡从反应区到水面的定向输运,提高了析氢反应速率,避免了气泡释放到水中时的副作用。本文的主要研究成果如下:(1)详细的研究了螺旋曲面结构对气泡受力大小和输运速度的影响。首先建立热力学理论模型推导出气泡在螺旋曲面的能量关系式和受力关系式;其次,分析了材料润湿性和螺旋曲面曲率梯度大小对气泡在螺旋曲面输运速度的影响;最后通过实验分析了气泡的运动过程、气泡最小体积的限制、气泡体积对整体输运速度的影响、气泡速度随所处位置的变化,验证了理论模型的正确性。(2)将楔形结构与螺旋曲面结构相结合,解决了楔形高速输运与长距离输运的不共存问题,实现了螺旋曲面气泡输运的高起始加速度。研究了气泡在楔形螺旋曲面的受力形式,推导出气泡的受力表达式。具体分析了楔形平面拉普拉斯力和螺旋曲面曲率梯度力二者协同作用提高气泡输运速度的机理;详细分析了螺旋距离参数a、楔角参数α、接触角θ对气泡自输运驱动力的影响,进而实现对速度的调控。通过数控车床机械加工和镜面抛光处理制备出楔形曲面,并对实验结果加以分析,进一步验证了理论的正确性。(3)将楔形螺旋曲面结构引入水下,以空气气泡研究结果为基础,研究气泡在水下楔形螺旋曲面结构的润湿性质和运动状态,探讨了气泡在水下楔形螺旋曲面结构的受力状态。通过理论分析,制备了湿滑性楔形螺旋曲面结构,研究了楔形螺旋曲面结构参数(螺旋距离参数a、楔角参数α)对气泡驱动力和输运速度的影响,以及水下气泡湿滑剂的润湿性、湿滑剂的表面张力和粘度对气泡输运速度的影响。结合理论分析和实验结果制备了楔形螺旋曲面铜铝电极,解决了微泡在电极表面的黏附问题,实现了气泡在电极的快速脱离,提高了电化学反应速率和危险性气体的收集。(4)从仿生出发,制备了楔形锥螺旋曲面,实现了气泡在空气环境中和水环境中的轴向运输,包括反重力输运和反浮力运输,打破了浮力输运的限制,并设计了气泡微反应演化器,将楔形锥螺旋曲面结构参数化处理,分析气泡的受力形式,结合实验分析楔形锥螺旋曲面的结构参数对输运速度的影响。
【图文】：

小液滴,操作平台,实际应用

第一章绪论1.1 研究背景及意义不混溶流体中小液滴和气泡的操纵会影响各种实际的应用，包括废水处理，药物输送和能量转换[1-3]。利用固/液/气三相之间的独特相互作用，已开发出具有特殊润湿性的功能表面作为操纵小水滴的平台[4, 5]。利用自然界中生物的特殊微结构是设计和制造这种功能表面的有效方式。例如，受荷叶启发制备的微观结构表面，使水滴容易滚落[6]；受沙漠甲虫启发设计具有亲水/疏水的交织图案，用于调整表面对水滴的附着力[7, 8]；受猪笼草湿滑表面的启发，制作分别排斥水和油的结构表面[9]。

浮力,输运,气泡,介质

Figure 1-2. Buoyancy operation of bubbles[11, 12]如图1-2所示，对于直径较大的气泡，，本质上难以实现有效地定向输运控制，因为它们由于浮力影响较大而在液体介质中迅速上升[10]。由于浮力垂直向上，气
【学位授予单位】：浙江工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：O552.3

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