微氣泡生長與潰滅對鄰近微球影響的數值模擬研究
發(fā)布時間：2021-10-21 18:19
球形微馬達的氣泡自驅動實驗揭示了微尺度氣泡與鄰近微球存在著強烈的相互作用,并驅動微球快速運動,但受限于條件,實驗無法給出二者相互作用的關鍵力學因素。為研究這一問題,將微氣泡的生長與潰滅類比于虛擬壁面的膨脹與收縮,采用有限元分析法模擬研究了這一瞬態(tài)流動。結果表明,微氣泡生長與潰滅不具備微尺度流動的可逆性,高速潰滅會使得雷諾數Re顯著增大,引入的慣性力驅使鄰近微馬達產生凈位移。這一研究給出了利用氣泡動力學打破微尺度游動扇貝定理的新力學機制,并對Janus微馬達氣泡高效驅動的現象進行了合理解釋。
【文章來源】：應用力學學報. 2019,36(03)北大核心CSCD
【文章頁數】：9 頁
【部分圖文】：
氣泡速度函數圖和半徑變化圖Fig.3Relationshipofbubblevelocityandradiuswithtime
第3期閆聰聰，等：微氣泡生長與潰滅對鄰近微球影響的數值模擬研究583同，而流體的流動方向相反，在生長階段氣泡周圍的流體被推開，潰滅階段則是流向氣泡的。由模擬結果可知，在氣泡驅動的整個過程中平均速度U約為10-4m/s，則Re約為10-3，始終滿足低雷諾數條件。圖3氣泡速度函數圖和半徑變化圖Fig.3Relationshipofbubblevelocityandradiuswithtime圖4對稱生長/潰滅下的流場分布云圖Fig.4Distributionsofamplitudeanddirectionofvelocityundergoingasymmetricalgrowth/collapsing由于氣泡運動引起的邊界流量變化，如上所述，在相對坐標下邊界流量直接反映了Janus微球的運動速度。為簡化起見，直接討論流量變化，所得到的規(guī)律與微球速度定性一致。模型中規(guī)定，上邊界流體流入為負，流出為正，下邊界與之相反。在一個氣泡生長與潰滅的周期內，通過邊界的總流量可用瞬時流量的積分來表示。定義上邊界生長階段總流量為Ve，潰滅階段總流量為Vc，上邊界凈流量為Vn，則有1d2ee002ddTRVrwrt(7)123d12cc022ddTTTRTVrwrt(8)necVVV(9)式中：w為速度在z方向的分量；ew為生長階段的速度；cw為潰滅階段的速度；r為計算域r方向坐標；Rd為計算域的最大尺度。扇貝定理中物體做周期性運動，為了使模擬更符合實際情況，模擬中氣泡的生長與潰滅設置為周期性。圖5給出了其中一個完整周期內通過的瞬時流量圖，其中上邊界為Q，下邊界為Q�？梢�，瞬時流量隨著邊界周期性運動發(fā)生周期性變化，但由于固體微球存在上、下邊界的流量并不相等。進一步由式(7)~式
量可用瞬時流量的積分來表示。定義上邊界生長階段總流量為Ve，潰滅階段總流量為Vc，上邊界凈流量為Vn，則有1d2ee002ddTRVrwrt(7)123d12cc022ddTTTRTVrwrt(8)necVVV(9)式中：w為速度在z方向的分量；ew為生長階段的速度；cw為潰滅階段的速度；r為計算域r方向坐標；Rd為計算域的最大尺度。扇貝定理中物體做周期性運動，為了使模擬更符合實際情況，模擬中氣泡的生長與潰滅設置為周期性。圖5給出了其中一個完整周期內通過的瞬時流量圖，其中上邊界為Q，下邊界為Q�？梢�，瞬時流量隨著邊界周期性運動發(fā)生周期性變化，但由于固體微球存在上、下邊界的流量并不相等。進一步由式(7)~式(9)求得上邊界不同階段的總流量Ve=-0.19nL、Vc=0.24nL、凈流量Vn=0.05nL。同樣求得下邊界的總流量eV0.28nL、cV0.33nL、凈流量nV0.05nL。定義相對流量為nbmaxVV(10)其中：Vbmax為氣泡的最大體積，Vbmax=0.065nL；δ=0.76，即一個氣泡周期的運動可以帶動約0.76倍氣泡體積的流量。由于水為不可壓縮流體，單獨在生長或潰滅階段，上、下邊界的流量應與氣泡體積變化一致，上述數據基本滿足這一關系，由此說明了模型的正確性。圖5對稱生長/潰滅下的邊界瞬時流量圖Fig.5Instantaneousflowratesatdifferentboundariesundergoingasymmetricalgrowth/collapsing需要說明的是，這里氣泡驅動的過程中Re約為10-3，盡管為很小的數值，但并不足以徹底忽略慣性的影響，這一點可由零時刻的速度來說明。由
【參考文獻】：
期刊論文
[1]微尺度空泡潰滅驅使微球運動的機理研究[J]. 魏夢舉,陳力,伍濤,張鴻雁,崔海航. 物理學報. 2017(16)
[2]氣泡推進型中空Janus微球運動特性的實驗研究[J]. 張靜,鄭旭,王雷磊,崔海航,李戰(zhàn)華. 實驗流體力學. 2017(02)
[3]脈沖磨料射流中球泡潰滅特性研究及數值分析[J]. 盧義玉,李曉紅,康勇,焦斌權. 應用力學學報. 2006(02)
[4]固壁空蝕數值研究[J]. 胡影影,朱克勤,席葆樹. 應用力學學報. 2004(01)
本文編號：3449492
【文章來源】：應用力學學報. 2019,36(03)北大核心CSCD
【文章頁數】：9 頁
【部分圖文】：
氣泡速度函數圖和半徑變化圖Fig.3Relationshipofbubblevelocityandradiuswithtime
第3期閆聰聰，等：微氣泡生長與潰滅對鄰近微球影響的數值模擬研究583同，而流體的流動方向相反，在生長階段氣泡周圍的流體被推開，潰滅階段則是流向氣泡的。由模擬結果可知，在氣泡驅動的整個過程中平均速度U約為10-4m/s，則Re約為10-3，始終滿足低雷諾數條件。圖3氣泡速度函數圖和半徑變化圖Fig.3Relationshipofbubblevelocityandradiuswithtime圖4對稱生長/潰滅下的流場分布云圖Fig.4Distributionsofamplitudeanddirectionofvelocityundergoingasymmetricalgrowth/collapsing由于氣泡運動引起的邊界流量變化，如上所述，在相對坐標下邊界流量直接反映了Janus微球的運動速度。為簡化起見，直接討論流量變化，所得到的規(guī)律與微球速度定性一致。模型中規(guī)定，上邊界流體流入為負，流出為正，下邊界與之相反。在一個氣泡生長與潰滅的周期內，通過邊界的總流量可用瞬時流量的積分來表示。定義上邊界生長階段總流量為Ve，潰滅階段總流量為Vc，上邊界凈流量為Vn，則有1d2ee002ddTRVrwrt(7)123d12cc022ddTTTRTVrwrt(8)necVVV(9)式中：w為速度在z方向的分量；ew為生長階段的速度；cw為潰滅階段的速度；r為計算域r方向坐標；Rd為計算域的最大尺度。扇貝定理中物體做周期性運動，為了使模擬更符合實際情況，模擬中氣泡的生長與潰滅設置為周期性。圖5給出了其中一個完整周期內通過的瞬時流量圖，其中上邊界為Q，下邊界為Q�？梢�，瞬時流量隨著邊界周期性運動發(fā)生周期性變化，但由于固體微球存在上、下邊界的流量并不相等。進一步由式(7)~式
量可用瞬時流量的積分來表示。定義上邊界生長階段總流量為Ve，潰滅階段總流量為Vc，上邊界凈流量為Vn，則有1d2ee002ddTRVrwrt(7)123d12cc022ddTTTRTVrwrt(8)necVVV(9)式中：w為速度在z方向的分量；ew為生長階段的速度；cw為潰滅階段的速度；r為計算域r方向坐標；Rd為計算域的最大尺度。扇貝定理中物體做周期性運動，為了使模擬更符合實際情況，模擬中氣泡的生長與潰滅設置為周期性。圖5給出了其中一個完整周期內通過的瞬時流量圖，其中上邊界為Q，下邊界為Q�？梢�，瞬時流量隨著邊界周期性運動發(fā)生周期性變化，但由于固體微球存在上、下邊界的流量并不相等。進一步由式(7)~式(9)求得上邊界不同階段的總流量Ve=-0.19nL、Vc=0.24nL、凈流量Vn=0.05nL。同樣求得下邊界的總流量eV0.28nL、cV0.33nL、凈流量nV0.05nL。定義相對流量為nbmaxVV(10)其中：Vbmax為氣泡的最大體積，Vbmax=0.065nL；δ=0.76，即一個氣泡周期的運動可以帶動約0.76倍氣泡體積的流量。由于水為不可壓縮流體，單獨在生長或潰滅階段，上、下邊界的流量應與氣泡體積變化一致，上述數據基本滿足這一關系，由此說明了模型的正確性。圖5對稱生長/潰滅下的邊界瞬時流量圖Fig.5Instantaneousflowratesatdifferentboundariesundergoingasymmetricalgrowth/collapsing需要說明的是，這里氣泡驅動的過程中Re約為10-3，盡管為很小的數值，但并不足以徹底忽略慣性的影響，這一點可由零時刻的速度來說明。由
【參考文獻】：
期刊論文
[1]微尺度空泡潰滅驅使微球運動的機理研究[J]. 魏夢舉,陳力,伍濤,張鴻雁,崔海航. 物理學報. 2017(16)
[2]氣泡推進型中空Janus微球運動特性的實驗研究[J]. 張靜,鄭旭,王雷磊,崔海航,李戰(zhàn)華. 實驗流體力學. 2017(02)
[3]脈沖磨料射流中球泡潰滅特性研究及數值分析[J]. 盧義玉,李曉紅,康勇,焦斌權. 應用力學學報. 2006(02)
[4]固壁空蝕數值研究[J]. 胡影影,朱克勤,席葆樹. 應用力學學報. 2004(01)
本文編號：3449492
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