微颗粒附近的溶解型氧气泡生长传质机理研究

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气泡的运动是多相流中最为重要的研究方向之一,研究微气泡的生长机理与壁面附近的相互作用是进一步拓展气泡工业应用的基础。本文关注的溶解型氧气泡是在Pt-SiO2型Janus微颗粒Pt侧通过H2O2催化反应生成溶解氧,当溶解氧浓度超过其饱和浓度时析出生成氧气泡,达到某一临界条件后,气泡发生溃灭。气泡生长与溃灭会将能量传递给附近微颗粒,因此在多种自驱动微颗粒气泡推进的研究中具有重大意义。在气泡驱动微颗粒实验中,由于目前实验设备的限制,无法了解气泡生长与溃灭转换的临界条件,为研究气泡驱动颗粒运动的机制问题,本文借助COMSOL Multiphysics多物理场平台,对Janus颗粒的气泡驱动过程中气泡生长的阶段进行模拟和分析。首先,在Janus颗粒气泡驱动实验的基础上,通过Janus颗粒附近溶解氧的反应扩散流动的数值模拟,得出气泡生长过程与溶解氧浓度场达到稳定的过程存在时间尺度的差异。其次,通过模拟氧气的自扩散过程发现气泡在生长过程中气泡内为准静态过程,因此本文忽略气泡内的状态变化,将气液相界面简化为虚拟壁面。然后,通过亨利定律和气体状态方程建立了气液界面的传质模型,结合动边界与动网格技术模拟了气泡生长过程,结果表明,气泡在几十毫秒的生长过程中,生长速度逐渐减弱,气泡半径逐渐达到稳定状态,其稳定条件是气液界面上的氧气通量保持恒定。不同的H2O2溶液浓度会影响稳定后气泡的大小。最后,研究了气泡生长对附近加载颗粒的影响。通过动量守恒得出Janus颗粒、气泡和加载颗粒三者的运动模型,结合动边界技术,实现Janus颗粒生成气泡推动加载颗粒的运动模拟。结果表明,加载颗粒与Janus颗粒的间距、半径比等因素会显著影响加载颗粒的位移。本文通过建立溶解氧型气泡生长和传质过程的简化多相流模型,探究了Pt-SiO2型气泡推进Janus颗粒气泡生长过程的影响因素,以及气泡生长对附近加载颗粒的影响。此研究对理解气泡推进型自驱动颗粒的运动机制与微气泡的在工业领域的应用打下了基础。
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