基于伪势LBM的Janus微颗粒气泡驱动机理研究

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气泡与界面的相互作用是气泡动力学和多相流的经典研究课题。在近气液界面的情况下,典型的Pt-SiO2型Janus自驱动颗粒会出现气泡析出并驱动颗粒运动的现象,气泡驱动微颗粒运动的机理复杂,涉及微尺度流动、气液固三相耦合、相间传热传质、流体可压缩性等方面。本文基于伪势格子Boltzmann方法(LBM)建立微尺度多相流模型,研究了气泡聚并和气泡溃灭的流场变化,以及气泡运动与同尺度微颗粒的相互作用。首先,为了满足和还原真实的物理状态,在微尺度下,对原始伪势模型和一类改进的伪势模型进行考察和验证,并据此建立可以模拟真实密度比流场的多相流模型,发现改进伪势多相模型比原始伪势模型可以实现更大密度比,同时保持较小的伪速度,拓展了伪势模型在微流动领域的使用范围。同时验证了改进伪势模型在多相流中的正确性。然后,研究了不同条件下气泡聚并和溃灭的形态演变,分析气泡相界面运动与周围流场的相互作用,气泡聚并过程是由相界面变形改变周围流场,气泡溃灭过程是在气泡内外压差和气泡周围流场压力非对称的作用下,流场流动导致气泡相界面变形和溃灭。对比了流体物性参数和气泡尺寸对气泡聚并和气泡溃灭过程的影响。结果表明,气泡聚并的特征时间和状态受气泡尺寸的影响较大。气泡溃灭过程中的形变、高速射流和压力波的产生、以及气泡溃灭后的流场状态均与壁面的阻碍作用有关。固体壁面与其附近气泡运动的相互作用是造成气泡和流场非对称演化的直接原因。研究了不同曲率的固体壁面附近气泡聚并和气泡溃灭的过程,发现固壁曲率能够对气泡聚并发生位置和气泡溃灭的位置产生影响,进而影响气泡聚并后的运动状态和气泡溃灭射流的强度。分析了聚并后气泡与曲面作用后的流场特性和溃灭后射流在曲面表面的流动特性。最后,根据数值模拟的结果,结合与实验的对比,阐述了气泡聚并和气泡溃灭两种对微颗粒驱动方式的作用机制,数值模拟结果显示驱动效果与实验结果在量级上一致。分析表明优化气泡与微颗粒的半径比可以通过影响气泡聚并点和气泡溃灭点的发生位置而提高推进微颗粒的效率。通过控制Janus颗粒反应面的气泡运动状态,改变的气泡驱动型Janus颗粒的运动方式,并为改善气泡驱动型Janus颗粒的驱动效果提供借鉴。
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