摘 要

本文通过对不同形状的圆锥形微型发动机进行研究，得到形状和液体流速对微型发动机的速度的影响进而研究圆锥形微型发动机的运动机理。

本文主要考虑影响圆锥形微型发动机受力因素为微型发动机的半锥角、长径比、最小半径和液体流速，考察它们对微型发动机动力学行为的影响，并以此为基础建立理论模型。通过建立数值计算模型，利用Fluent数值计算软件研究微型发动机周围流场环境因素和微型发动机自身几何结构因素影响下的动力学行为，验证理论模型的正确性。

对于不同形状的微型发动机在液体环境中的速度和压力情况进行分析，建立动力学模型；对比Fluent数值计算结果和理论模型计算结果，两者较好吻合。进而了解圆锥状气泡推进型微型发动机的运动机理，为微型发动机的优化设计提供理论支撑和依据。

关键词：圆锥形微型发动机；气泡；数值模拟；理论模型；动力学模型

Abstract

In this paper, the effects of shape and liquid flow velocity on the speed of micromotor are studied by studying the conical micromotor with different shapes, and then the motion mechanism of conical micromotor is studied.

In this paper, we consider the influence of conical micromotor force on the micromotor 's half-cone angle, aspect ratio, minimum radius and liquid velocity, and study the influence of them on the dynamic behavior of micromotor. The numerical model was used to study the dynamic behavior of the micromotor surrounding flow field and the dynamic behavior under the influence of the micromotor 's own geometrical factors, and verify the correctness of the theoretical model by using Fluent numerical calculation software.

The dynamic model of the micromotor with different shapes in the liquid environment is analyzed and the dynamic model is established. Compared with the numerical results of the Fluent numerical calculation and the theoretical model, the two are in good agreement. And then understand the motion mechanism of the cone-shaped propulsion-type micromotor, and provide the theoretical support and basis for the optimization design of the micromotor.

Key words: conical micromotor; bubble; numerical simulation; theoretical model; dynamic model

目 录

第1章 绪论 1

1.1引言 1

1.2国内外研究现状 1

1.3本文工作 2

第2章 理论模型计算 3

2.1气泡在微型发动机中的生长过程及其受力情况 3

2.2建立理论模型 3

2.3由理论模型计算得到理论结果 5

2.4本章小结 6

第3章 Fluent数值计算 7

3.1使用Fluent进行数值计算 7

3.2由Fluent得到结果 7

3.2.1速度云图和压力云图 7

3.2.2由Fluent得到的数值计算结果 18

3.3不同的形状的微型发动机数据分析 19

3.4本章小结 28

第4章 结论和展望 29

4.1本文结论 29

4.2工作展望 30

参考文献 31

致谢 33

第1章 绪论

1.1引言

微型发动机指的是能通过各种方式进行能量转化并且能够完成一些微观的任务的微纳米级别的器件。由于微型发动机作为微纳米级别的器件能够进行难以常规条件下难以完成的微观任务，因此微型发动机作为21世纪出现的一个多学科交叉的尖端研究领域受到大家极大的关注。第一个化学催化型微型发动机在2004年被成功制备出来，即Au /Pt 的双金属纳米线，一种使用Pt催化过氧化氢进行驱动微型发动机。经过十几年来的探索，各种各样的微型发动机已经被制备出来，经过一定的结构调整和表面修饰之后，微型发动机就可以应用到化学、医学、生物和环境等方面^[1]。

现如今已经有了各种各样的微型发动机，例如：Janus球状微型发动机、管状微型发动机、线状微型发动机等。对于不同的微型发动机制备方法也各不相同^[2]，例如：线状微型发动机通常使用模板辅助电沉积法；管状微型发动机可以使用模板辅助电沉积法，也可以使用卷曲法；Janus 球状微型发动机^[3]，通常使用微球模板法等。微型发动机的性能主要体现在速度和方向两个方面。提高速度意味着微型发动机能够进行高效的运输和装载，有效的控制方向意味着微型发动机能够更有效的完成微观任务^[4-6]。控制微型发动机的速度主要通过控制微型发动机的驱动形式和温度、磁场等外部环境；控制微型发动机的方向主要通过在微型发动机中加入具有磁力的物质使用磁场进行操控 ^[7,8]。提高这两个方面的效能也是这些年大家研究的主要方向之一。

微型发动机发展至今虽然在很多方面都有了重大的突破，但是相较于生物体内能自我调节的组织结构相比微型发动机在效能、寿命等方面还远远不足，这些都是未来微型发动机优化和改进的方向。

1.2国内外研究现状

现如今微型发动机种类繁多，依据其驱动原理的不同，大致可分为磁力驱动微型发动机，超声驱动微型发动机，催化型微型发动机三个大类^[9,10]。

化学催化型微型发动机即通过化学催化反应为发动机提供动力的一类发动机，其根据化学催化反应导致的不同推进机理，又可分为电泳推进型微型发动机和气泡推进型微型发动机。