【摘要】：微納馬達(dá)是一種利用其他形式的能轉(zhuǎn)化為動能,并能執(zhí)行微納尺度任務(wù)的微納米結(jié)構(gòu)。這種微納結(jié)構(gòu)通常具有尺寸小、重量輕、能耗低、推重比大等特點(diǎn),在細(xì)胞分離、藥物傳遞、微納尺度手術(shù)、環(huán)境檢測與修復(fù)中有著廣泛的應(yīng)用前景。微納馬達(dá)的類型繁多,根據(jù)其驅(qū)動形式可以分為:氣泡驅(qū)動微納馬達(dá)、自電泳微納馬達(dá)、自擴(kuò)散微納馬達(dá)、外場驅(qū)動微納馬達(dá)等;根據(jù)其幾何形狀的不同,又可以分為:圓錐形微納馬達(dá)、圓柱形微納馬達(dá)、管狀微納馬達(dá)、球形微納馬達(dá)、殼狀微納馬達(dá)等。其中,氣泡驅(qū)動圓錐狀微納馬達(dá)是一類應(yīng)用最為廣泛的微納馬達(dá)。氣泡驅(qū)動圓錐狀微納馬達(dá)的驅(qū)動過程是一個復(fù)雜的物理和化學(xué)過程;該驅(qū)動過程既涉及到化學(xué)反應(yīng),也涉及到氣、固、液三相的多物理場耦合等復(fù)雜問題。盡管有學(xué)者對其驅(qū)動機(jī)理進(jìn)行了一些探索性的研究,然而從目前的研究結(jié)果看,關(guān)于其驅(qū)動機(jī)理學(xué)者們?nèi)杂性S多不同看法,其運(yùn)動的動力學(xué)理論還不夠完善。因此,本文圍繞氣泡驅(qū)動微納馬達(dá)的驅(qū)動機(jī)理和動力學(xué)理論,在氣泡生長機(jī)理和噴射過程的理論建模以及微納馬達(dá)的幾何尺寸、氣泡和周圍流場與其動力學(xué)性能的關(guān)系開展了研究。論文的主要研究內(nèi)容及成果如下:1、研究了氣泡在圓錐狀微納馬達(dá)內(nèi)部生長過程,考察了微納馬達(dá)的幾何尺寸、氣泡以及流場物理性質(zhì)與氣泡驅(qū)動力之間的關(guān)系。首先通過理論分析,研究了不同過氧化氫溶液中,不同尺寸圓錐狀微納馬達(dá)內(nèi)部氣泡的體積變化對內(nèi)部流場的影響規(guī)律,并在此基礎(chǔ)上建立了氣泡在成核、生長以及噴射過程中驅(qū)動力理論模型;隨后,采用Fluent流體動力學(xué)分析軟件模擬了氣泡在圓錐狀微納馬達(dá)內(nèi)部的成核過程,并依據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果完善了氣泡在成核階段的驅(qū)動力模型;最后,采用上述模型,分析了微納馬達(dá)幾何尺寸、氣泡和流場物理性質(zhì)對其驅(qū)動力的影響。2、分析了氣泡驅(qū)動圓錐狀微納馬達(dá)在驅(qū)動過程中流體阻力的作用形式,建立了微納馬達(dá)幾何尺寸、氣泡以及流場物理性質(zhì)與流體阻力之間的關(guān)系。首先將氣泡驅(qū)動圓錐狀微納馬達(dá)在運(yùn)動過程中所受到的流體阻力做無量綱化處理,利用微納馬達(dá)的阻力系數(shù)來代替流體阻力;隨后,利用Fluent流體動力學(xué)分析軟件計算不同條件下,不同尺寸的圓錐狀微納馬達(dá)在運(yùn)動過程中的流體阻力與阻力系數(shù);之后,根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果建立圓錐狀微納馬達(dá)阻力系數(shù)與流體雷諾數(shù)、半錐角和長徑比之間的關(guān)系,并在此基礎(chǔ)上建立氣泡驅(qū)動圓錐狀微納馬達(dá)阻力模型;最后,分析了微納馬達(dá)幾何尺寸、氣泡以及流場物理性質(zhì)對其阻力的影響。3、分析了氣泡驅(qū)動圓錐狀微納馬達(dá)在驅(qū)動過程中的受力形式,建立了微納馬達(dá)的幾何尺寸、氣泡以及流場物理性質(zhì)與動力學(xué)性能之間的關(guān)系。首先根據(jù)所建立的氣泡噴射階段驅(qū)動力模型以及阻力模型,建立了氣泡驅(qū)動圓錐狀微納馬達(dá)的動力學(xué)模型;隨后,分析了影響氣泡驅(qū)動圓錐狀微納馬達(dá)運(yùn)動速度的因素;最后,討論了提高氣泡驅(qū)動圓錐狀微納馬達(dá)運(yùn)動速度的方法。
【學(xué)位授予單位】：武漢理工大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：O313
【圖文】：

（c）棒狀微納馬達(dá)[25]（d）球狀微納馬達(dá)[26]（e）殼狀微納馬達(dá)[27]圖 1-1 不同幾何形狀的微納馬達(dá)氣泡驅(qū)動圓錐狀微納馬達(dá)的驅(qū)動過程是一個復(fù)雜的物理和化學(xué)過程，其驅(qū)動過程，既涉及到化學(xué)反應(yīng)，也涉及到氣、固、液三相的多物理場耦合問題。在這個過程中，化學(xué)反應(yīng)生成的氣泡在微納馬達(dá)內(nèi)部成核、生長，直至從微納馬達(dá)尾部噴射出去，最終在液體環(huán)境中湮滅。氣泡在生長、噴射和湮滅過程中會改變微納馬達(dá)周圍的流場，同時噴射帶來的動量也賦予了馬達(dá)足夠的驅(qū)動力，從而驅(qū)動圓錐狀微納馬達(dá)向前運(yùn)動；在馬達(dá)向前運(yùn)動時，周圍流體會對微納馬達(dá)產(chǎn)生流體阻力，從而阻礙微納馬達(dá)向前運(yùn)動；馬達(dá)所處的流體運(yùn)動通常是一個低雷諾數(shù)的流體運(yùn)動，此時，粘性力在流體運(yùn)動中占據(jù)主導(dǎo)地位。因此，氣泡驅(qū)動圓錐狀微納馬達(dá)的運(yùn)動是一個在低雷諾數(shù)、粘性力的復(fù)雜流場環(huán)境中微納馬達(dá)、氣泡以及周圍流體三者互相影響、互相耦合的過程。在這個過程中，各種因素的復(fù)雜性以及微納米尺度下流體的運(yùn)動難以預(yù)測性，使得微納馬達(dá)的動力學(xué)行為受多方面因素的影響，既具有一定的復(fù)雜性，也具有一定特殊性[28]。因此，對于氣泡驅(qū)

得微分方程在無窮小的控制體中滿足；在整個計算域的計算流體力學(xué)的控制方程，無論是連續(xù)性方程、動以寫成如下通用形式：( )div ( ) div ( grad)uu Stρ φρ φ Γ φ + = + 變量，例如速度、溫度或濃度等。Γ 是相應(yīng)于φ 的廣義其中變量φ 在邊界上的值是已知的。

氣泡驅(qū)動圓錐狀微納馬達(dá)驅(qū)動機(jī)理泡驅(qū)動圓錐狀微納馬達(dá)主要由兩層不同的物質(zhì)構(gòu)成。外層是一層穩(wěn)，內(nèi)層是一層活性金屬鋅。如圖 2-2 所示，氣泡驅(qū)動圓錐狀微納馬達(dá)屬鋅與過氧化氫溶液反應(yīng)，在圓錐狀微納馬達(dá)內(nèi)部生成氣泡。氣泡在部生長直至氣泡從圓錐狀微納馬達(dá)尾部噴射。據(jù)氣泡的形成過程可以將微納馬達(dá)的推進(jìn)過程分為四個階段：氣泡泡生長階段、氣泡噴射階段和氣泡湮滅階段[54]。氣泡成核階段主要狀微納馬達(dá)內(nèi)部活性金屬與過氧化氫溶液反應(yīng)生成小氣泡，由于表用，小氣泡會附著在微納馬達(dá)的內(nèi)壁上。隨著化學(xué)反應(yīng)的進(jìn)行，氣體附著在微納馬達(dá)內(nèi)表面上的氣泡不斷生長并向圓錐狀微納馬達(dá)尾端運(yùn)泡從微納馬達(dá)尾部噴射出。

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1 邱俊雄;喇叭紙[J];廣東造紙;1988年04期

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3 天亦;;創(chuàng)業(yè)思路:幫助別人成就自己——從蛋卷冰淇淋的誕生想到的[J];農(nóng)家顧問;2008年10期

4 方興根;程少文;袁金龍;李真保;吳德剛;賴年升;趙心同;劉佳強(qiáng);;圓錐狀后交通動脈起始部動脈瘤12例介入治療[J];皖南醫(yī)學(xué)院學(xué)報;2019年03期

5 杜玉萍;;薄壁圓錐狀管的手工加工方法[J];設(shè)備管理與維修;2017年05期

6 馮斌;圓錐狀角膜[J];國外醫(yī)學(xué).眼科學(xué)分冊;1994年01期

7 ;小“沙”丘的大秘密[J];課堂內(nèi)外(小學(xué)智慧數(shù)學(xué));2018年03期

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1 白濤;氣泡驅(qū)動圓錐狀微納馬達(dá)動力學(xué)行為理論研究[D];武漢理工大學(xué);2018年

2 于國明;網(wǎng)式圓錐狀靜電噴頭的試驗研究[D];黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué);2015年

本文編號：2757718