基于滑移边界模拟两类微纳尺度浓度差驱动的流动

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微流动问题是指特征尺寸在微米或纳米级别的流体问题的总称。该问题的特征尺寸及基于相应的尺寸效应使得边界滑移现象成为影响其性能的重要因素。基于浓度差的化学势驱动的流动中,边界滑移主要通过对流体在固液界面处的流动产生驱动作用来影响流场分布,从而影响系统性能。而微纳尺度下的渗透现象作为组成微流体系统重要现象之一,在生物医药、微流体流动、环境治理等众多领域具有较高的运用价值,因此对微纳尺度下渗透现象中边界滑移作用的研究具有重要意义。本文通过对渗透现象中固液界面处流动特性进行分析,建立了满足固液界面流动特性的速度滑移模型,并将其作为边界条件,通过基于COMSOL Multiphysics多物理场耦合模拟平台从两方面来研究微纳尺度下渗透现象中边界滑移作用。其一,研究稳态条件下外加浓度梯度的渗透管流现象。主要通过建立边界滑移修正的流动模型来研究管道中的流场分布、压强分布以及应力分布,从而进一步理解渗透现象,为其在交叉学科中的运用提供理论指导。其二,研究瞬态条件下自建浓度梯度的Janus颗粒自驱动特性。主要通过建立边界滑移修正的自驱动模型来研究催化反应产生浓度梯度下的流场分布以及固液界面处的粘性应力分布,进一步理解催化反应产生气泡驱动的机理,为Janus颗粒定向运动提供理论指导。对于微纳管道中渗透现象的研究,其主要涉及稳态条件下的层流模块和稀物质传递模块。建立了耦合滑移速度的二维轴对称单孔道渗透模型,并进行求解和结果分析,并通过对表征溶质渗透过程的物性参数进行模拟分析,以及将溶剂通量模拟值同经典K-K模型进行对比,以验证模型的正确性。研究结果表明,孔道中流场分布是由活塞状分布和抛物线分布叠加而成,叠加后的速度分布取决于不同条件下二者对流动的贡献;压强分布表明渗透压将使得孔道进出口发生反向变形,其中进口将向外侧扩张,出口将向内侧收缩;同时也表明水力压强差将使得进出口发生同向变形,均向外侧进行扩张,其中进口处变形更加显著;应力分布表明渗透压对孔道外侧并无明显的压力作用,即外侧并不发生明显变形,而水力压强差将使得孔道外侧发生明显的位移,这与相关的研究结论一致。对于Janus颗粒自驱动运动特性的研究,其主要涉及瞬态条件下的层流模块和稀物质传递模块。建立耦合滑移速度的二维轴对称Janus球形颗粒模型,以确定催化反应生成的气泡位置。研究结果表明,Janus球形颗粒在发生催化反应后15ms时,反应侧附近流场将产生流速达到~100μm/s的漩涡;对二维Janus简化模型求解发现,二维轴对称Janus球形颗粒模型中漩涡产生的意义在于表明气泡位置,分析发现在反应侧存在偏离轴线位置一定角度处且能够满足气泡生成并稳定存在的两点;对Janus球形颗粒表面粘性应力分析,发现其粘性应力方向随颗粒表面流速发生改变,进一步验证气泡所在位置。该动态模型的建立为进一步研究Janus颗粒自驱动运动特性及其运用提供了理论基础。
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