球形微馬達(dá)的氣泡自驅(qū)動實驗揭示了微尺度氣泡與鄰近微球存在著強(qiáng)烈的相互作用,并驅(qū)動微球快速運(yùn)動,但受限于條件,實驗無法給出二者相互作用的關(guān)鍵力學(xué)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(jié)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(shù)Re顯著增大,引入的慣性力驅(qū)使鄰近微馬達(dá)產(chǎn)生凈位移。這一研究給出了利用氣泡動力學(xué)打破微尺度游動扇貝定理的新力學(xué)機(jī)制,并對Janus微馬達(dá)氣泡高效驅(qū)動的現(xiàn)象進(jìn)行了合理解釋。 

【文章來源】：應(yīng)用力學(xué)學(xué)報. 2019,36(03)北大核心CSCD

【文章頁數(shù)】：9 頁

【部分圖文】：

氣泡速度函數(shù)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(shù)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(jié)果可知，在氣泡驅(qū)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(shù)條件。圖3氣泡速度函數(shù)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(yùn)動引起的邊界流量變化，如上所述，在相對坐標(biāo)下邊界流量直接反映了Janus微球的運(yùn)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(fù)，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(nèi)，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(biāo)；Rd為計算域的最大尺度。扇貝定理中物體做周期性運(yùn)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(shè)置為周期性。圖5給出了其中一個完整周期內(nèi)通過的瞬時流量圖，其中上邊界為Q，下邊界為Q�？梢姡矔r流量隨著邊界周期性運(yùn)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(jìn)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(biāo)；Rd為計算域的最大尺度。扇貝定理中物體做周期性運(yùn)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(shè)置為周期性。圖5給出了其中一個完整周期內(nèi)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(yùn)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(jìn)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(yùn)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(yīng)與氣泡體積變化一致，上述數(shù)據(jù)基本滿足這一關(guān)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(qū)動的過程中Re約為10-3，盡管為很小的數(shù)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(xiàn)】：
期刊論文
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本文編號：3449492