微细气泡生长及生成特性单因素影响规律研究.pdf

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1、硕士学位论文微细气泡生长及生成特性单因素影响规律研究RESEARCHONSINGLE-FACTORINFLUENCINGLAWSOFMICROBUBBLEGROWTHANDFORMATIONCHARACTERISTICS(学术型)秦宏伟哈尔滨工业大学2018年6月国内图书分类号：V476.3学校代码：10213国际图书分类号：621密级：公开工学硕士学位论文微细气泡生长及生成特性单因素影响规律研究硕士研究生：秦宏伟导师：姜生元教授申请学位：工学硕士学科：航空宇航制造工程所在单位：机电工程学院答辩日期

2、：2018年6月27日授予学位单位：哈尔滨工业大学ClassifiedIndex:V476.3U.D.C:621DissertationfortheMasterDegreeinEngineeringRESEARCHONSINGLE-FACTORINFLUENCINGLAWSOFMICROBUBBLEGROWTHANDFORMATIONCHARACTERISTICSCandidate：HongweiQinSupervisor：Prof.ShengyuanJiangAcademicDegreeAppli

3、edfor：MasterofEngineeringAeronauticalandAstronauticsSpeciality：ManufacturingEngineeringAffiliation：SchoolofMechatronicsEngineeringDateofDefence：June27,2018Degree-Conferring-Institution：HarbinInstituteofTechnology哈尔滨工业大学工学硕士学位论文摘要微细气泡指的是直径在百微米量级的气泡，相比于常

4、规气泡，具有尺寸微小、上升速度慢和传质效率高等特点。因此，微细气泡在污水处理、超声成像和皮肤清洁等领域具有可观的潜在应用价值。本课题以微细气泡在污水处理和宇航员洗浴方面的应用为背景，以探究微细气泡生长及生成特性影响因素的影响规律为主要研究目标，开展PDMS芯片中微细气泡生长及生成特性单因素影响规律研究。开展同轴流动聚焦式气泡生成理论模型研究。基于椭球体假设，详细分析气泡在生长过程中的受力情况，建立表面张力、液流拉力、气体动力和气泡惯性力的力平衡关系。利用MATLAB数值求解软件，基于四阶Runge-

5、Kutta法对力平衡方程进行求解，预测不同环境下的气泡脱离体积。开展同轴流动聚焦式气泡生长过程数值模拟研究。利用仿真分析软件COMSOLMultiphysics，基于二相流理论和水平集方程，建立同轴流动聚焦仿真模型，预测不同环境下气泡的脱离体积和生成时间，并预测微细气泡在生长过程中的体积和轮廓的变化过程。开展同轴流动聚焦式气泡生长及生成特性试验研究。加工同轴流动聚焦式PDMS芯片，基于高速显微摄像系统和微量注射泵等器材搭建试验系统，开展基于PDMS芯片的同轴流动聚焦式微细气泡生长及生成特性试验。利用

6、ImageProPlus、Photoshop和MATLAB图像处理软件处理微细气泡生成过程中的图片，获得不同工况下气泡的脱离体积、生成时间和质心位移等气泡生长及生成特性参数，探究液体流量、液体粘度、气体压强和气体通道宽度对上述各参数的影响规律，验证理论模型和仿真模型对气泡脱离体积和生成时间的预测效果。开展T型流动聚焦式气泡生长及生成特性试验研究。加工T型流动聚焦式PDMS芯片，利用相同的试验系统和图像处理方法，获得不同工况下的气泡脱离体积、生成时间和体积变化过程等气泡生长及生成特性参数，探究液体流量

7、、气体压强和气体通道宽度对上述各参数的影响规律。引入气泡生成频率和当量径孔比的概念，对比分析同轴流动聚焦与T型流动聚焦环境下的气泡生成效果。本文对微细气泡的生长及生成特性开展基础性探究工作，获得的理论模型、仿真模型和气泡生长及生成特性单因素影响规律，为微细气泡尺寸及生成频率的控制提供理论支撑，为微细气泡的工程化应用奠定理论基础。关键词：微细气泡；微流控；流动聚焦；生长特性；生成特性-I-哈尔滨工业大学工学硕士学位论文AbstractMicrobubblesrefertobubbleswhosedia

8、meterishundredsofmicrons.TheyaresmallinsizeTheyhavemanycharacteristicsthatconventionalbubblesdonothave,suchassmallsize,slowrisespeed,andhighmasstransferefficiency.So,microbubbleshaveconsiderablepotentialapplicationvalueinmanyfields,such