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表面張力的球泡運(yùn)動的理論解研究
來源: 《Acta Mechanica Sinica》 、AI 瀏覽 878 次 發(fā)布時間:2024-12-12
Rayleigh-Plesset方程是氣泡動力學(xué)的基本模型,被廣泛應(yīng)用于空化機(jī)理的研究中.由于空化氣泡經(jīng)常發(fā)生在微觀尺度上,表面張力的影響將對氣泡的運(yùn)動產(chǎn)生重要的影響。基于Sundman變換和Weierstrass橢圓函數(shù)理論,研究了考慮表面張力的Rayleigh-Plesset方程,并分別建立了蒸汽氣泡和氣泡的參數(shù)理論解。結(jié)果表明,蒸汽泡和氣體泡動力學(xué)方程可以從理論上得到求解.在理論解的基礎(chǔ)上,進(jìn)一步研究了表面張力對蒸汽氣泡和氣泡運(yùn)動的影響。對于這兩種氣泡,隨著氣泡尺度的減小,表面張力對氣泡運(yùn)動的影響會逐漸增大.特別是當(dāng)氣泡尺度減小到10μm時,表面張力的影響變得更加顯著,不可忽略。
在深入分析表面張力對氣泡運(yùn)動的具體影響時,我們發(fā)現(xiàn),對于蒸汽氣泡而言,表面張力的增強(qiáng)會促使氣泡在更短的時間內(nèi)達(dá)到其最大半徑,隨后迅速收縮,這一過程相較于未考慮表面張力的情況更為劇烈。這一發(fā)現(xiàn)對于理解空化現(xiàn)象中的能量轉(zhuǎn)換機(jī)制具有重要意義,因為它揭示了微觀尺度下氣泡動力學(xué)行為的快速變化如何影響流體系統(tǒng)的整體能量平衡。
而對于氣體泡,表面張力的增加則導(dǎo)致了氣泡膨脹和收縮速率的減緩,使得氣泡生命周期延長。這一現(xiàn)象在微流控技術(shù)和生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用中尤為重要,因為它直接關(guān)系到氣泡在微通道中的傳輸效率和穩(wěn)定性,進(jìn)而影響藥物輸送、細(xì)胞培養(yǎng)等過程的精確控制。
此外,我們還發(fā)現(xiàn),在氣泡尺度接近或小于10μm的極端條件下,表面張力不僅影響氣泡的動力學(xué)行為,還可能引發(fā)氣泡形態(tài)的復(fù)雜變化,如非球形變形、分裂或合并等現(xiàn)象,這些現(xiàn)象對于微尺度流動特性的理解和預(yù)測提出了新的挑戰(zhàn)。
綜上所述,對考慮表面張力的Rayleigh-Plesset方程的深入研究,不僅深化了我們對空化氣泡動力學(xué)行為的認(rèn)識,也為微納尺度流體系統(tǒng)的設(shè)計和優(yōu)化提供了理論基礎(chǔ),為相關(guān)領(lǐng)域的技術(shù)進(jìn)步開辟了新的視野。





