非牛頓流體中蛋白質(zhì)氣泡有限變形的動(dòng)力學(xué)特性研究.pdf

1、蛋白質(zhì)氣泡在生物醫(yī)學(xué)、化工、材料、消防、油氣田固井等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。在上述應(yīng)用中，蛋白質(zhì)氣泡通過(guò)與其它流體混合或一起流動(dòng)，由于形成氣泡的蛋白質(zhì)膜具有粘彈性，氣泡周?chē)牧黧w大多為非牛頓流體，這使得對(duì)蛋白質(zhì)氣泡在流體中的動(dòng)力學(xué)特性問(wèn)題的研究變得十分復(fù)雜。而蛋白質(zhì)氣泡在流體中的動(dòng)力學(xué)特性又會(huì)直接影響氣泡在流體中的存活時(shí)間、分布均勻性以及整個(gè)流體的穩(wěn)定性。因此，全面、深入研究蛋白質(zhì)氣泡在非牛頓流體中的動(dòng)力學(xué)特性，對(duì)于更好地拓寬蛋白質(zhì)氣泡的應(yīng)

2、用領(lǐng)域具有十分重要的意義。
　　 本文在研究由粘彈性蛋白質(zhì)膜構(gòu)成的氣泡有限變形的基礎(chǔ)上，建立了蛋白質(zhì)氣泡在非牛頓流體中的動(dòng)力學(xué)方程，研究分析了蛋白質(zhì)膜的粘彈特性、氣泡的幾何特性、氣泡周?chē)黧w的性質(zhì)以及氣泡間的相互作用等因素對(duì)氣泡動(dòng)力學(xué)特性的影響，為蛋白質(zhì)氣泡動(dòng)力學(xué)特性的深入研究和應(yīng)用領(lǐng)域的拓寬提供理論依據(jù)。本文主要研究?jī)?nèi)容和結(jié)論如下：
　　 (1)利用粘彈性材料有限變形的能量密度函數(shù)、Maxwell模型的松弛函數(shù)及氣泡的

3、變形梯度張量，推導(dǎo)出了蛋白質(zhì)膜變形與應(yīng)力之間的非線性關(guān)系。再根據(jù)氣泡變形的平衡方程，建立了氣泡在內(nèi)外壓力差作用下內(nèi)徑有限變形的靜態(tài)特性方程。計(jì)算結(jié)果表明，蛋白質(zhì)氣泡徑向變形具有非線性特性，在不同初始?jí)毫Σ钭饔孟?，氣泡?nèi)外壓力達(dá)到平衡所需的時(shí)間及變形量均不相同。增加氣泡膜厚和粘彈性，既可以延長(zhǎng)氣泡變形達(dá)到平衡的時(shí)間，又可以增強(qiáng)氣泡承受載荷的能力。
　　 (2)根據(jù)已經(jīng)推導(dǎo)出的粘彈性蛋白質(zhì)膜變形與應(yīng)力之間的非線性關(guān)系，并結(jié)合氣泡變形

4、的動(dòng)力學(xué)方程，建立了在內(nèi)外壓力差、彈性有限變形應(yīng)力及粘性耗散應(yīng)力共同作用下氣泡膜的非線性振動(dòng)方程。通過(guò)對(duì)該方程進(jìn)行計(jì)算分析，結(jié)果表明，氣泡在不同初始瞬態(tài)壓力差的作用下，氣泡的振動(dòng)頻率、振幅衰減速率是不同的，停止振動(dòng)時(shí)的大小也不相同；增加膜厚和粘性會(huì)抑制氣泡的振動(dòng)幅值，增強(qiáng)氣泡承受動(dòng)載荷的能力；對(duì)于初始大小不同的氣泡，小尺寸氣泡的振動(dòng)頻率高，振動(dòng)速度衰減慢。
　　 (3)考慮蛋白質(zhì)氣泡周?chē)桥ｎD流體的粘性對(duì)氣泡外壁面上作用力的影響

5、，建立了Bingham流體中單個(gè)蛋白質(zhì)氣泡有限變形的動(dòng)力學(xué)方程，通過(guò)對(duì)該方程進(jìn)行計(jì)算分析，結(jié)果表明，增加Bingham流體的塑性粘度會(huì)使氣泡壁面振幅衰減速度加快，頻率降低，平衡時(shí)氣泡變形量小。并把計(jì)算結(jié)果與Bingham流體中空化氣泡的振動(dòng)特性以及蛋白質(zhì)氣泡外壁面受壓力差作用下的振動(dòng)特性進(jìn)行了對(duì)比分析。與Bingham流體中空化氣泡相比，在流體壓力和氣泡幾何尺寸相同的情況下，蛋白質(zhì)氣泡在有限變形時(shí)的振幅衰減速度慢，振動(dòng)的頻率低，振動(dòng)停止

6、時(shí)蛋白質(zhì)氣泡的變形較?。慌c蛋白質(zhì)氣泡受壓力差作用下的振動(dòng)特性相比，當(dāng)流體的壓力與外壁面作用力大小相同時(shí)，流體中的蛋白質(zhì)氣泡壁面的振動(dòng)周期增加，頻率減小，振動(dòng)停止時(shí)的變形量較大。
　　 (4)在研究了單個(gè)蛋白質(zhì)氣泡在Bingham流體中振動(dòng)特性的基礎(chǔ)上，研究了兩個(gè)蛋白質(zhì)氣泡在Bingham流體中的振動(dòng)特性。考慮了其中一個(gè)氣泡在Bingham流體中振動(dòng)產(chǎn)生的Bjerknes力對(duì)另一個(gè)氣泡振動(dòng)特性的影響，建立了兩個(gè)等徑蛋白質(zhì)氣泡在Bi

7、ngham流體中的非線性振動(dòng)方程。通過(guò)對(duì)該方程進(jìn)行計(jì)算分析，并在相同初始和邊界條件下與Bingham流體中單個(gè)蛋白質(zhì)氣泡的振動(dòng)特性進(jìn)行了比較。結(jié)果表明，Bingham流體中兩個(gè)蛋白質(zhì)氣泡比單個(gè)氣泡不但具有更高的振動(dòng)頻率，而且振幅衰減速率更快；當(dāng)兩個(gè)氣泡間的距離減小時(shí)，氣泡振動(dòng)頻率增加，振幅衰減速率加快，而且氣泡的半徑越小，振動(dòng)頻率的增加和振幅衰減的速率越大。
　　 (5)為了驗(yàn)證蛋白質(zhì)氣泡的靜態(tài)變形特性，本文以蛋白質(zhì)氣泡在固井低