基于滑移邊界模擬兩類微納尺度濃度差驅(qū)動(dòng)的流動(dòng).pdf

1、微流動(dòng)問題是指特征尺寸在微米或納米級(jí)別的流體問題的總稱。該問題的特征尺寸及基于相應(yīng)的尺寸效應(yīng)使得邊界滑移現(xiàn)象成為影響其性能的重要因素?；跐舛炔畹幕瘜W(xué)勢(shì)驅(qū)動(dòng)的流動(dòng)中,邊界滑移主要通過對(duì)流體在固液界面處的流動(dòng)產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)作用來影響流場(chǎng)分布,從而影響系統(tǒng)性能。而微納尺度下的滲透現(xiàn)象作為組成微流體系統(tǒng)重要現(xiàn)象之一，在生物醫(yī)藥、微流體流動(dòng)、環(huán)境治理等眾多領(lǐng)域具有較高的運(yùn)用價(jià)值，因此對(duì)微納尺度下滲透現(xiàn)象中邊界滑移作用的研究具有重要意義。
　　本

2、文通過對(duì)滲透現(xiàn)象中固液界面處流動(dòng)特性進(jìn)行分析，建立了滿足固液界面流動(dòng)特性的速度滑移模型，并將其作為邊界條件，通過基于COMSOL Multiphysics多物理場(chǎng)耦合模擬平臺(tái)從兩方面來研究微納尺度下滲透現(xiàn)象中邊界滑移作用。其一，研究穩(wěn)態(tài)條件下外加濃度梯度的滲透管流現(xiàn)象。主要通過建立邊界滑移修正的流動(dòng)模型來研究管道中的流場(chǎng)分布、壓強(qiáng)分布以及應(yīng)力分布，從而進(jìn)一步理解滲透現(xiàn)象，為其在交叉學(xué)科中的運(yùn)用提供理論指導(dǎo)。其二，研究瞬態(tài)條件下自建濃度梯

3、度的Janus顆粒自驅(qū)動(dòng)特性。主要通過建立邊界滑移修正的自驅(qū)動(dòng)模型來研究催化反應(yīng)產(chǎn)生濃度梯度下的流場(chǎng)分布以及固液界面處的粘性應(yīng)力分布，進(jìn)一步理解催化反應(yīng)產(chǎn)生氣泡驅(qū)動(dòng)的機(jī)理，為Janus顆粒定向運(yùn)動(dòng)提供理論指導(dǎo)。
　　對(duì)于微納管道中滲透現(xiàn)象的研究，其主要涉及穩(wěn)態(tài)條件下的層流模塊和稀物質(zhì)傳遞模塊。建立了耦合滑移速度的二維軸對(duì)稱單孔道滲透模型，并進(jìn)行求解和結(jié)果分析，并通過對(duì)表征溶質(zhì)滲透過程的物性參數(shù)進(jìn)行模擬分析,以及將溶劑通量模擬值同經(jīng)

4、典K-K模型進(jìn)行對(duì)比，以驗(yàn)證模型的正確性。研究結(jié)果表明，孔道中流場(chǎng)分布是由活塞狀分布和拋物線分布疊加而成，疊加后的速度分布取決于不同條件下二者對(duì)流動(dòng)的貢獻(xiàn)；壓強(qiáng)分布表明滲透壓將使得孔道進(jìn)出口發(fā)生反向變形，其中進(jìn)口將向外側(cè)擴(kuò)張，出口將向內(nèi)側(cè)收縮；同時(shí)也表明水力壓強(qiáng)差將使得進(jìn)出口發(fā)生同向變形，均向外側(cè)進(jìn)行擴(kuò)張，其中進(jìn)口處變形更加顯著；應(yīng)力分布表明滲透壓對(duì)孔道外側(cè)并無明顯的壓力作用，即外側(cè)并不發(fā)生明顯變形，而水力壓強(qiáng)差將使得孔道外側(cè)發(fā)生明顯的

5、位移，這與相關(guān)的研究結(jié)論一致。
　　對(duì)于Janus顆粒自驅(qū)動(dòng)運(yùn)動(dòng)特性的研究，其主要涉及瞬態(tài)條件下的層流模塊和稀物質(zhì)傳遞模塊。建立耦合滑移速度的二維軸對(duì)稱Janus球形顆粒模型，以確定催化反應(yīng)生成的氣泡位置。研究結(jié)果表明，Janus球形顆粒在發(fā)生催化反應(yīng)后15ms時(shí)，反應(yīng)側(cè)附近流場(chǎng)將產(chǎn)生流速達(dá)到～100μm/s的漩渦；對(duì)二維Janus簡(jiǎn)化模型求解發(fā)現(xiàn)，二維軸對(duì)稱Janus球形顆粒模型中漩渦產(chǎn)生的意義在于表明氣泡位置，分析發(fā)現(xiàn)在反應(yīng)側(cè)