椭圆柱对漂浮颗粒的毛细俘获机理研究

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微小固体漂浮在液面上时,固体之间会有相互吸引或排斥的趋势,我们把引起这种趋势的力称为毛细相互作用力。颗粒在流场中漂浮时,可能会受到其他固体物的毛细吸引而被俘获,本文重点研究毛细相互作用力以及漂浮颗粒被椭圆柱所俘获的机理。毛细吸引力导致毛细俘获,而毛细作用力与弯月面的形状关联很大,只要漂浮物体的弯月面形状确定,容易求得毛细作用力大小。本文从求解线性化的杨-拉普拉斯方程出发,先介绍球和柱等简单形状的弯月面的求法,然后利用马蒂厄函数求解椭圆柱的弯月面形状,继而通过能量法求取椭圆柱与圆球间的毛细相互作用力公式。确定的弯月面形状验证了椭圆柱的短轴端点附近的弯月面高度总是大于长轴端点附近的弯月面高度。此外,结果表明:如果固定椭圆柱其中一条轴的长度,而增加另外一条轴的长度,椭圆柱对圆球的毛细作用力大小总是增大的。颗粒在流场中的运动用B.B.O方程来描述,漂浮颗粒还受到毛细力的作用,所以需要在B.B.O方程中加入毛细力项,通过与椭圆柱绕流场一起求解,可以确定单个圆球颗粒是否被椭圆柱俘获。对于不同位置的颗粒,本文探讨了其毛细俘获的规律。结果表明:颗粒在远离椭圆柱时,运动轨迹线与经过颗粒起点的流线高度重合,当颗粒靠近椭圆柱时,由于毛细吸引作用,其轨迹有向椭圆柱靠近的趋势;此外,增大椭圆柱的短轴长度,能够明显地增加俘获率,这与毛细作用力的规律是相符的。
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