自发缝隙水射流现象及其自驱动微型船研究

来源 :大连理工大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:niitliu
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微型自驱动装置是指不需要使用外加电机就可以运动的微型装置。由于微型自驱动装置在污水处理、清除油污、运动监测、靶向给药等方面的应用前景,已经引起越来越多的学者进行研究。目前自驱动装置的驱动原理有气泡驱动和泳动驱动两种方式。但这些自驱动装置都需要使用特殊的化学物质或者需要外部供给热能或者电能,这些特殊的应用场景大大限制了自驱动装置的应用。在本文中我们使用一种全新的驱动方式驱动微型装置,这种驱动装置使用液滴的表面张力产生的拉普拉斯压力作为驱动力,将液滴的表面能量转化成微型船运动的动能,驱动微型船的液滴与给微型船提供浮力的液体均为同一种液体,并且没有使用任何特殊的物质以及外部能量供给。本文首先通过激光刻蚀、激光切割、氟硅烷浸泡、翻折等过程制造出具有竖直超疏水/超亲水缝隙的超疏水微型船,滴落在超疏水微型船上的液滴,通过竖直超疏水/超亲水缝隙接触到船后的液体,液滴在表面拉普拉斯压力的作用下射入水中,产生斜后方射流。射流产生的反向推动力可以驱动超疏水微型船向前运动。随后,本文通过对超疏水微型船运动过程进行记录分析,系统研究了初始液滴体积、超疏水/超亲水缝隙宽度对超疏水微型船运动距离、运动速度的影响。结果表明:在超疏水/超亲水缝隙宽度一定时,初始液滴体积越大,超疏水微型船的运动距离、运动速度越大;当初始液滴体积一定时,在超疏水/超亲水缝隙宽度越小,超疏水微型船的运动距离、运动速度越大。此外,本文对超疏水微型船的驱动力进行分析,使用高速摄像机对液滴的接触角以及接触线进行测量,通过公式计算得到液滴射流时,液滴的拉普拉斯压强以及驱动力的大小。利用公式对超疏水微型船的理论运动距离进行计算,得到的结果与实际运动距离进行比较,符合程度高,确定超疏水微型船的驱动力来自于拉普拉斯压力。最后,对超疏水微型船进行改造,在超疏水船中加入隔水板,并将超疏水船的体积增大。在改进型超疏水船中加入大量液滴,可以实现超疏水船的长时间、远距离运输。综上所述,在本文中提出了一种全新的微型装置驱动方式,有望被应用于水面探测微型机器人、雨中发电装置等方面。
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