基于滑移邊界模擬兩類微納尺度濃度差驅動的流動.pdf

1、微流動問題是指特征尺寸在微米或納米級別的流體問題的總稱。該問題的特征尺寸及基于相應的尺寸效應使得邊界滑移現(xiàn)象成為影響其性能的重要因素。基于濃度差的化學勢驅動的流動中,邊界滑移主要通過對流體在固液界面處的流動產(chǎn)生驅動作用來影響流場分布,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、環(huán)境治理等眾多領域具有較高的運用價值，因此對微納尺度下滲透現(xiàn)象中邊界滑移作用的研究具有重要意義。
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2、文通過對滲透現(xiàn)象中固液界面處流動特性進行分析，建立了滿足固液界面流動特性的速度滑移模型，并將其作為邊界條件，通過基于COMSOL Multiphysics多物理場耦合模擬平臺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模型來研究管道中的流場分布、壓強分布以及應力分布，從而進一步理解滲透現(xiàn)象，為其在交叉學科中的運用提供理論指導。其二，研究瞬態(tài)條件下自建濃度梯

3、度的Janus顆粒自驅動特性。主要通過建立邊界滑移修正的自驅動模型來研究催化反應產(chǎn)生濃度梯度下的流場分布以及固液界面處的粘性應力分布，進一步理解催化反應產(chǎn)生氣泡驅動的機理，為Janus顆粒定向運動提供理論指導。
　　對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稱單孔道滲透模型，并進行求解和結果分析，并通過對表征溶質(zhì)滲透過程的物性參數(shù)進行模擬分析,以及將溶劑通量模擬值同經(jīng)

4、典K-K模型進行對比，以驗證模型的正確性。研究結果表明，孔道中流場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流動的貢獻；壓強分布表明滲透壓將使得孔道進出口發(fā)生反向變形，其中進口將向外側擴張，出口將向內(nèi)側收縮；同時也表明水力壓強差將使得進出口發(fā)生同向變形，均向外側進行擴張，其中進口處變形更加顯著；應力分布表明滲透壓對孔道外側并無明顯的壓力作用，即外側并不發(fā)生明顯變形，而水力壓強差將使得孔道外側發(fā)生明顯的

5、位移，這與相關的研究結論一致。
　　對于Janus顆粒自驅動運動特性的研究，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稱Janus球形顆粒模型，以確定催化反應生成的氣泡位置。研究結果表明，Janus球形顆粒在發(fā)生催化反應后15ms時，反應側附近流場將產(chǎn)生流速達到～100μm/s的漩渦；對二維Janus簡化模型求解發(fā)現(xiàn)，二維軸對稱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)在反應側