發(fā)布時(shí)間：2020-06-11 11:45

【摘要】：Janus顆粒的氣泡自驅(qū)動(dòng)實(shí)驗(yàn)揭示了在微尺度下氣泡與鄰近Janus顆粒間存在強(qiáng)烈的相互作用,并且能夠驅(qū)動(dòng)Janus顆�？焖龠\(yùn)動(dòng),但受限于高速攝像機(jī)的拍攝速度,實(shí)驗(yàn)無(wú)法給出二者相互作用的直接力學(xué)信息。為研究這一問(wèn)題,本文采用數(shù)值模擬方法將虛擬壁面的膨脹與收縮類比于微氣泡的生長(zhǎng)與潰滅,借助COMSOL Multiphysics多物理場(chǎng)耦合模擬平臺(tái),采用有限元方法對(duì)Janus顆粒的氣泡驅(qū)動(dòng)過(guò)程進(jìn)行模擬。首先,在Janus顆粒氣泡驅(qū)動(dòng)實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上,對(duì)模型進(jìn)行合理簡(jiǎn)化,建立Janus顆粒氣泡驅(qū)動(dòng)數(shù)值模型,并利用扇貝定理對(duì)模型進(jìn)行驗(yàn)證。扇貝定理指低雷諾數(shù)(Re數(shù))下物體在不可壓縮牛頓流體中做幾何形變可逆性的運(yùn)動(dòng)時(shí),其凈位移必為零。由其內(nèi)容可知,模擬可逆性、單自由度的邊界運(yùn)動(dòng)并不會(huì)使Janus顆粒產(chǎn)生有效運(yùn)動(dòng)。通過(guò)對(duì)模型中邊界流量的分析得出,在一個(gè)氣泡生長(zhǎng)與潰滅周期內(nèi),流體域上、下邊界的凈流量近似為零,與扇貝定理相符,從而驗(yàn)證了模型的正確性及有限元方法模擬氣泡驅(qū)動(dòng)的可行性。其次,由Janus顆粒氣泡驅(qū)動(dòng)實(shí)驗(yàn)可知,微氣泡生長(zhǎng)緩慢而潰滅迅速,并不具備微尺度流動(dòng)問(wèn)題的可逆性,因此本文利用驗(yàn)證后的模型,進(jìn)一步對(duì)非可逆性、單自由度的邊界運(yùn)動(dòng)進(jìn)行模擬。通過(guò)對(duì)邊界流量分析得出,在一個(gè)氣泡生長(zhǎng)潰滅周期內(nèi),流體域上、下邊界均有凈流量產(chǎn)生,即Janus顆粒有凈位移產(chǎn)生,說(shuō)明氣泡動(dòng)力學(xué)能夠打破扇貝定理的理論約束,其原因?yàn)闅馀莞咚贊珉A段Re數(shù)顯著增大,引入的慣性力驅(qū)使Janus顆粒產(chǎn)生凈位移。最后,分別研究Janus顆粒尺寸、氣泡尺寸、氣泡潰滅階段的特征速度以及滑移長(zhǎng)度等對(duì)氣泡驅(qū)動(dòng)過(guò)程的影響,得出Janus顆粒尺寸的增大會(huì)阻礙氣泡驅(qū)動(dòng)過(guò)程,而氣泡尺寸和潰滅階段特征速度的增大可促進(jìn)氣泡驅(qū)動(dòng)過(guò)程,滑移長(zhǎng)度對(duì)氣泡驅(qū)動(dòng)過(guò)程的影響甚微。
【圖文】：

圖 1.1 具有不同運(yùn)動(dòng)機(jī)理的生物（a）草履蟲(chóng)（b）大腸桿菌（c）扇貝（d）魚(yú)類通過(guò)對(duì)生物運(yùn)動(dòng)機(jī)理的總結(jié)，我們發(fā)現(xiàn)打破扇貝定理的方法之一是打破其周空間對(duì)稱性。Janus 顆粒便是一類可以在結(jié)構(gòu)上打破對(duì)稱性的人工活性微納顆粒能夠利用非對(duì)稱性結(jié)構(gòu)從外部環(huán)境中獲得能量，從而驅(qū)動(dòng)自身不斷運(yùn)動(dòng)[6]。.1.2 Janus 顆粒自驅(qū)動(dòng)Janus 一詞來(lái)源于古羅馬神話，傳說(shuō)中古羅馬的 Janus 雙面神長(zhǎng)著方向相反的幅面孔，分別可以代表入口和出口、開(kāi)始和結(jié)束、過(guò)去和未來(lái)等[7]。1991 年 P.G.Dennes 在諾貝爾頒獎(jiǎng)大會(huì)上首次提出了 Janus 顆粒的概念[8]。，Janus 顆粒是一類由理或化學(xué)性質(zhì)不同的兩部分組成的人工活性納米顆粒的統(tǒng)稱，其兩個(gè)組成部分有不同的特性，，例如親水/疏水性、正/負(fù)電荷、極性/非極性、光或磁性等[9]。圖.2（a）為古羅馬 Janus 雙面神，圖 1.2（b）為具有 A/B 兩面不同特性的 Janus 顆。（a） （b）

1.1 具有不同運(yùn)動(dòng)機(jī)理的生物（a）草履蟲(chóng)（b）大腸桿菌（c）扇過(guò)對(duì)生物運(yùn)動(dòng)機(jī)理的總結(jié)，我們發(fā)現(xiàn)打破扇貝定理的方法對(duì)稱性。Janus 顆粒便是一類可以在結(jié)構(gòu)上打破對(duì)稱性的人利用非對(duì)稱性結(jié)構(gòu)從外部環(huán)境中獲得能量，從而驅(qū)動(dòng)自身anus 顆粒自驅(qū)動(dòng)nus 一詞來(lái)源于古羅馬神話，傳說(shuō)中古羅馬的 Janus 雙面神孔，分別可以代表入口和出口、開(kāi)始和結(jié)束、過(guò)去和未來(lái)等 在諾貝爾頒獎(jiǎng)大會(huì)上首次提出了 Janus 顆粒的概念[8]。，Ja化學(xué)性質(zhì)不同的兩部分組成的人工活性納米顆粒的統(tǒng)稱，同的特性，例如親水/疏水性、正/負(fù)電荷、極性/非極性、為古羅馬 Janus 雙面神，圖 1.2（b）為具有 A/B 兩面不a） （b）
【學(xué)位授予單位】：西安建筑科技大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：O347.7

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2707856