發(fā)布時間：2020-07-16 07:33

【摘要】：微納馬達是一種利用其他形式的能轉(zhuǎn)化為動能,并能執(zhí)行微納尺度任務的微納米結(jié)構(gòu)。這種微納結(jié)構(gòu)通常具有尺寸小、重量輕、能耗低、推重比大等特點,在細胞分離、藥物傳遞、微納尺度手術(shù)、環(huán)境檢測與修復中有著廣泛的應用前景。微納馬達的類型繁多,根據(jù)其驅(qū)動形式可以分為:氣泡驅(qū)動微納馬達、自電泳微納馬達、自擴散微納馬達、外場驅(qū)動微納馬達等;根據(jù)其幾何形狀的不同,又可以分為:圓錐形微納馬達、圓柱形微納馬達、管狀微納馬達、球形微納馬達、殼狀微納馬達等。其中,氣泡驅(qū)動圓錐狀微納馬達是一類應用最為廣泛的微納馬達。氣泡驅(qū)動圓錐狀微納馬達的驅(qū)動過程是一個復雜的物理和化學過程;該驅(qū)動過程既涉及到化學反應,也涉及到氣、固、液三相的多物理場耦合等復雜問題。盡管有學者對其驅(qū)動機理進行了一些探索性的研究,然而從目前的研究結(jié)果看,關(guān)于其驅(qū)動機理學者們?nèi)杂性S多不同看法,其運動的動力學理論還不夠完善。因此,本文圍繞氣泡驅(qū)動微納馬達的驅(qū)動機理和動力學理論,在氣泡生長機理和噴射過程的理論建模以及微納馬達的幾何尺寸、氣泡和周圍流場與其動力學性能的關(guān)系開展了研究。論文的主要研究內(nèi)容及成果如下:1、研究了氣泡在圓錐狀微納馬達內(nèi)部生長過程,考察了微納馬達的幾何尺寸、氣泡以及流場物理性質(zhì)與氣泡驅(qū)動力之間的關(guān)系。首先通過理論分析,研究了不同過氧化氫溶液中,不同尺寸圓錐狀微納馬達內(nèi)部氣泡的體積變化對內(nèi)部流場的影響規(guī)律,并在此基礎(chǔ)上建立了氣泡在成核、生長以及噴射過程中驅(qū)動力理論模型;隨后,采用Fluent流體動力學分析軟件模擬了氣泡在圓錐狀微納馬達內(nèi)部的成核過程,并依據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果完善了氣泡在成核階段的驅(qū)動力模型;最后,采用上述模型,分析了微納馬達幾何尺寸、氣泡和流場物理性質(zhì)對其驅(qū)動力的影響。2、分析了氣泡驅(qū)動圓錐狀微納馬達在驅(qū)動過程中流體阻力的作用形式,建立了微納馬達幾何尺寸、氣泡以及流場物理性質(zhì)與流體阻力之間的關(guān)系。首先將氣泡驅(qū)動圓錐狀微納馬達在運動過程中所受到的流體阻力做無量綱化處理,利用微納馬達的阻力系數(shù)來代替流體阻力;隨后,利用Fluent流體動力學分析軟件計算不同條件下,不同尺寸的圓錐狀微納馬達在運動過程中的流體阻力與阻力系數(shù);之后,根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果建立圓錐狀微納馬達阻力系數(shù)與流體雷諾數(shù)、半錐角和長徑比之間的關(guān)系,并在此基礎(chǔ)上建立氣泡驅(qū)動圓錐狀微納馬達阻力模型;最后,分析了微納馬達幾何尺寸、氣泡以及流場物理性質(zhì)對其阻力的影響。3、分析了氣泡驅(qū)動圓錐狀微納馬達在驅(qū)動過程中的受力形式,建立了微納馬達的幾何尺寸、氣泡以及流場物理性質(zhì)與動力學性能之間的關(guān)系。首先根據(jù)所建立的氣泡噴射階段驅(qū)動力模型以及阻力模型,建立了氣泡驅(qū)動圓錐狀微納馬達的動力學模型;隨后,分析了影響氣泡驅(qū)動圓錐狀微納馬達運動速度的因素;最后,討論了提高氣泡驅(qū)動圓錐狀微納馬達運動速度的方法。
【學位授予單位】：武漢理工大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：O313
【圖文】：

（c）棒狀微納馬達[25]（d）球狀微納馬達[26]（e）殼狀微納馬達[27]圖 1-1 不同幾何形狀的微納馬達氣泡驅(qū)動圓錐狀微納馬達的驅(qū)動過程是一個復雜的物理和化學過程，其驅(qū)動過程，既涉及到化學反應，也涉及到氣、固、液三相的多物理場耦合問題。在這個過程中，化學反應生成的氣泡在微納馬達內(nèi)部成核、生長，直至從微納馬達尾部噴射出去，最終在液體環(huán)境中湮滅。氣泡在生長、噴射和湮滅過程中會改變微納馬達周圍的流場，同時噴射帶來的動量也賦予了馬達足夠的驅(qū)動力，從而驅(qū)動圓錐狀微納馬達向前運動；在馬達向前運動時，周圍流體會對微納馬達產(chǎn)生流體阻力，從而阻礙微納馬達向前運動；馬達所處的流體運動通常是一個低雷諾數(shù)的流體運動，此時，粘性力在流體運動中占據(jù)主導地位。因此，氣泡驅(qū)動圓錐狀微納馬達的運動是一個在低雷諾數(shù)、粘性力的復雜流場環(huán)境中微納馬達、氣泡以及周圍流體三者互相影響、互相耦合的過程。在這個過程中，各種因素的復雜性以及微納米尺度下流體的運動難以預測性，使得微納馬達的動力學行為受多方面因素的影響，既具有一定的復雜性，也具有一定特殊性[28]。因此，對于氣泡驅(qū)

得微分方程在無窮小的控制體中滿足；在整個計算域的計算流體力學的控制方程，無論是連續(xù)性方程、動以寫成如下通用形式：( )div ( ) div ( grad)uu Stρ φρ φ Γ φ + = + 變量，例如速度、溫度或濃度等。Γ 是相應于φ 的廣義其中變量φ 在邊界上的值是已知的。

氣泡驅(qū)動圓錐狀微納馬達驅(qū)動機理泡驅(qū)動圓錐狀微納馬達主要由兩層不同的物質(zhì)構(gòu)成。外層是一層穩(wěn)，內(nèi)層是一層活性金屬鋅。如圖 2-2 所示，氣泡驅(qū)動圓錐狀微納馬達屬鋅與過氧化氫溶液反應，在圓錐狀微納馬達內(nèi)部生成氣泡。氣泡在部生長直至氣泡從圓錐狀微納馬達尾部噴射。據(jù)氣泡的形成過程可以將微納馬達的推進過程分為四個階段：氣泡泡生長階段、氣泡噴射階段和氣泡湮滅階段[54]。氣泡成核階段主要狀微納馬達內(nèi)部活性金屬與過氧化氫溶液反應生成小氣泡，由于表用，小氣泡會附著在微納馬達的內(nèi)壁上。隨著化學反應的進行，氣體附著在微納馬達內(nèi)表面上的氣泡不斷生長并向圓錐狀微納馬達尾端運泡從微納馬達尾部噴射出。

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本文編號：2757718