【摘 要】
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受限空泡的溃灭是气泡动力学的核心问题,研究已表明宏观尺度的空泡溃灭可以拉动同尺度的悬浮颗粒运动,但微尺度下相关研究还很少。随着空泡溃灭在工程领域的应用越来越广,空
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受限空泡的溃灭是气泡动力学的核心问题,研究已表明宏观尺度的空泡溃灭可以拉动同尺度的悬浮颗粒运动,但微尺度下相关研究还很少。随着空泡溃灭在工程领域的应用越来越广,空泡溃灭时的高速射流在人工微纳马达领域的应用开始受到重视。空泡溃灭形成的高速射流对微马达具有很好的推动作用,较以往推动效应提高了2个量级。对微尺度下空泡溃灭对微球的影响的研究能够很好的了解其机理及作用过程,为自驱动效率的提高具有重要的指导意义。气泡驱动的微马达实验发现微气泡溃灭形成射流能够显著推动马达向前运动,由于微气泡溃灭时间很短,MicroPIV系统不能完整记录溃灭过程。所以采用基于FLUENT商业软件的Volume of Fluid多相流模型,最终实现微尺度下空泡邻近微球溃灭过程的模拟。首先,建立二维轴对称模型,对微尺度下空泡邻近平直壁面溃灭进行模拟。得出空泡溃灭过程的相图及流场情况,分析发现本模拟结果与前人研究基本一致,说明了采用VOF方法模拟微空泡溃灭过程的可行性。其次,模拟了微尺度空泡在微球附近的溃灭过程,对比不同参数下多种工况的数据结果分析,空泡形成射流和空泡溃灭所形成的高压对微球受力的影响。空泡溃灭消失后,射流和高压对微球作用效果相同,均是使微球朝向背离空泡方向运动。最后,根据微球受力情况,通过积分微球获得的冲量给出了微球所能达到的速度。结果表明在微尺度下空泡溃灭足以推动微球显著运动,在气泡尺寸固定的情况下,微球半径越小,微球与气泡间距离越近,推动的效果越明显。冲量定理则定性地解释了宏观尺度与微尺度下存在差异的原因。这一研究不但扩展了空化研究的尺度范围,揭示了微尺度下空泡与颗粒作用的特性,而且对提高微马达的驱动效率也具有重要意义。
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