【摘要】：在大自然和人們的日常生活中,氣泡的定向輸運現(xiàn)象時時刻刻都在發(fā)生,并發(fā)揮著日益重要的作用。關(guān)于氣泡在平面的輸運已經(jīng)進(jìn)行了較多的理論研究和試驗分析,但關(guān)于曲面這一更加普遍的存在,特別是螺旋曲面,卻缺乏系統(tǒng)的理論和實驗研究。螺旋曲面在結(jié)構(gòu)上具有連續(xù)不對稱性,即曲率因位置不同而連續(xù)發(fā)生變化,適合氣泡的持續(xù)輸運。但是,對于氣泡的輸運,螺旋曲面本身也存在一些不足,諸如當(dāng)氣泡靠近曲率中心時,輸運速度較快;當(dāng)氣泡接近曲率邊緣時,輸運速度較慢,特別是曲率梯度較小的曲率邊緣,運動速度接近0,近乎于停滯狀態(tài)。為解決這一問題,本文采用理論與實驗相結(jié)合的方式,從熱力學(xué)角度出發(fā),推導(dǎo)了在螺旋曲面的上氣泡的自由能和驅(qū)動力,并結(jié)合實驗現(xiàn)象,分析了氣泡在螺旋曲面基底上的定向輸運行為。利用楔形與曲率相結(jié)合的方法,改善了氣泡接近曲率邊緣時運動速率較小的狀況,同時探討分析了氣泡在水下輸運所考慮的各種問題。將楔形濕滑螺旋曲面應(yīng)用到水下,實現(xiàn)了氣泡的反重力輸運、反浮力輸運、氣泡微反應(yīng)演化器的應(yīng)用;將楔形螺旋曲面應(yīng)用到析氫反應(yīng)中,實現(xiàn)了氣泡從反應(yīng)區(qū)到水面的定向輸運,提高了析氫反應(yīng)速率,避免了氣泡釋放到水中時的副作用。本文的主要研究成果如下:(1)詳細(xì)的研究了螺旋曲面結(jié)構(gòu)對氣泡受力大小和輸運速度的影響。首先建立熱力學(xué)理論模型推導(dǎo)出氣泡在螺旋曲面的能量關(guān)系式和受力關(guān)系式;其次,分析了材料潤濕性和螺旋曲面曲率梯度大小對氣泡在螺旋曲面輸運速度的影響;最后通過實驗分析了氣泡的運動過程、氣泡最小體積的限制、氣泡體積對整體輸運速度的影響、氣泡速度隨所處位置的變化,驗證了理論模型的正確性。(2)將楔形結(jié)構(gòu)與螺旋曲面結(jié)構(gòu)相結(jié)合,解決了楔形高速輸運與長距離輸運的不共存問題,實現(xiàn)了螺旋曲面氣泡輸運的高起始加速度。研究了氣泡在楔形螺旋曲面的受力形式,推導(dǎo)出氣泡的受力表達(dá)式。具體分析了楔形平面拉普拉斯力和螺旋曲面曲率梯度力二者協(xié)同作用提高氣泡輸運速度的機(jī)理;詳細(xì)分析了螺旋距離參數(shù)a、楔角參數(shù)α、接觸角θ對氣泡自輸運驅(qū)動力的影響,進(jìn)而實現(xiàn)對速度的調(diào)控。通過數(shù)控車床機(jī)械加工和鏡面拋光處理制備出楔形曲面,并對實驗結(jié)果加以分析,進(jìn)一步驗證了理論的正確性。(3)將楔形螺旋曲面結(jié)構(gòu)引入水下,以空氣氣泡研究結(jié)果為基礎(chǔ),研究氣泡在水下楔形螺旋曲面結(jié)構(gòu)的潤濕性質(zhì)和運動狀態(tài),探討了氣泡在水下楔形螺旋曲面結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)。通過理論分析,制備了濕滑性楔形螺旋曲面結(jié)構(gòu),研究了楔形螺旋曲面結(jié)構(gòu)參數(shù)(螺旋距離參數(shù)a、楔角參數(shù)α)對氣泡驅(qū)動力和輸運速度的影響,以及水下氣泡濕滑劑的潤濕性、濕滑劑的表面張力和粘度對氣泡輸運速度的影響。結(jié)合理論分析和實驗結(jié)果制備了楔形螺旋曲面銅鋁電極,解決了微泡在電極表面的黏附問題,實現(xiàn)了氣泡在電極的快速脫離,提高了電化學(xué)反應(yīng)速率和危險性氣體的收集。(4)從仿生出發(fā),制備了楔形錐螺旋曲面,實現(xiàn)了氣泡在空氣環(huán)境中和水環(huán)境中的軸向運輸,包括反重力輸運和反浮力運輸,打破了浮力輸運的限制,并設(shè)計了氣泡微反應(yīng)演化器,將楔形錐螺旋曲面結(jié)構(gòu)參數(shù)化處理,分析氣泡的受力形式,結(jié)合實驗分析楔形錐螺旋曲面的結(jié)構(gòu)參數(shù)對輸運速度的影響。
【圖文】：

第一章 緒 論1.1 研究背景及意義不混溶流體中小液滴和氣泡的操縱會影響各種實際的應(yīng)用，包括廢水處理，藥物輸送和能量轉(zhuǎn)換[1-3]。利用固/液/氣三相之間的獨特相互作用，已開發(fā)出具有特殊潤濕性的功能表面作為操縱小水滴的平臺[4, 5]。利用自然界中生物的特殊微結(jié)構(gòu)是設(shè)計和制造這種功能表面的有效方式。例如，受荷葉啟發(fā)制備的微觀結(jié)構(gòu)表面，使水滴容易滾落[6]；受沙漠甲蟲啟發(fā)設(shè)計具有親水/疏水的交織圖案，用于調(diào)整表面對水滴的附著力[7, 8]；受豬籠草濕滑表面的啟發(fā)，制作分別排斥水和油的結(jié)構(gòu)表面[9]。

Figure 1-2. Buoyancy operation of bubbles[11, 12]如圖1-2所示，對于直徑較大的氣泡，，本質(zhì)上難以實現(xiàn)有效地定向輸運控制，因為它們由于浮力影響較大而在液體介質(zhì)中迅速上升[10]。由于浮力垂直向上，氣
【學(xué)位授予單位】：浙江工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號】：O552.3

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本文編號：2695966