微管中偏心气泡-流体-管壁的耦合振动研究

摘要

随着超精密运动平台的定位精度向亚纳米级发展，循环液体中微气泡振动的影响将不能再被忽视。与自由流场气泡相比，这类气泡振动具有明显不同的新特征：固壁对气泡的强约束作用会诱导气泡形状变扁，变扁的气泡振动又会反过来对固壁产生更强烈的冲击，从而引起更大的应力波传播。显然，有限区域中气-液-固多相耦合作用下的微扰动产生机理、传递规律及其抑制是本项目所涉及的关键科学问题。 本文针对微管中的气泡-液体-固壁这一三相耦合振动问题，采用有限体积方法，重点研究了非牛顿流体的粘性效应及其变粘性系数等对耦联系统动力行为的影响特征，阐明了气泡的变形规律及其对管壁的冲击规律。首先，运用有限体积法将流体区域离散，在气泡与液体交界面通过张力平衡条件关联，而在液体与固壁的交界面上通过力和位移（速度）连续条件关联；然后计算了小粘性流体中的气泡振动问题，与无粘流体中气泡的振动规律进行了比较，发现二者相近，所以验证了本文模型的正确性；接着，利用这个模型分析了有粘流体中的气泡振动过程，结果发现：随着粘度增大，气泡振动过程中的变形幅值减小，管壁所受到的压力幅值减小，这是因为流体粘性对耦联系统所产生的耗散效应所致。论文进一步还分析了变粘性流体中气泡的振动问题，与均匀粘性流体的情形比较，气泡的变形幅值、管壁的应力幅值等都会发生改变。意味着在实际情况中应该充分考虑流体的粘性效应。 最后，论文还对微管中的偏心气泡的非轴对称振动问题进行了数值计算，并和中心气泡模型的结果进行了比较：当气泡位于微管的偏心位置时，其临近管壁一侧受到的约束作用增强，气泡变形更大，所受到的压力增大，由此而产生对管壁的冲击增大。表明偏心气泡的振动对管壁的冲击力及对系统稳定性的影响更大。 通过本文的分析，对气泡-液体-固壁这一三相耦合振动问题有了更进一步的认识，得到的结果对气泡的动力特征及超精密运动平台的稳定性分析具有重要意义。

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摘 要

Abstract

1 绪论

1.1研究目的和意义

1.2国内外研究进展

1.2.1 球形气泡动力学模型

1.2.2 气泡在生物领域的研究

1.2.2 微管约束下气泡动力学模型

1.3本文研究内容

2气泡-流体-管壁耦合振动理论基础

2.1流体动力学理论

2.2流体力学研究方法

2.3流固耦合理论

2.3.1流体部分控制方程

2.3.2固体部分控制方程

2.3.3流固耦合方程

2.4本章小结

3 微管内非牛顿流体中气泡的耦合振动

3.1自由流场中气泡运动方程

3.2模型描述

3.3控制方程

3.3.1气体控制方程

3.3.2 流体控制方程

3.3.3 管壁控制方程

3.4边界条件

3.4.1气泡表面边界条件

3.4.2微管边界条件

3.5本章小结

4 耦合计算及结果分析

4.1计算流场网格划分

4.2耦合计算方法

气泡-流体界面和流体-管壁界面设置为可动边界，每进行一次迭代计算之后，都需要确定边界上新的节点位置，重新确定边界并再次划分网格，为下一步计算做好准备。

4.3无粘性流体分析模型与小粘性流体分析模型比较

4.4流体粘度大小的影响

4.5变粘性流体因素的影响

4.6实际工程意义

4.7本章小结

5 微管中偏心球壳气泡耦合振动的数值仿真

5.1 Workbench有限元流固耦合仿真简介

5.2偏心气泡三维模型的建立

5.2.1建模过程

5.2.2材料参数设置

5.3网格的划分与计算

5.3.1网格的划分

5.3.2边界条件的设置

5.3.3计算方法的选取

5.4中心气泡耦合振动模型

5.5两种模型的计算结果与分析讨论

5.6本章小结

6 结论与展望

6.1全文总结

6.2展望

致谢

参考文献