非牛頓流體中蛋白質(zhì)氣泡有限變形的動力學特性研究.pdf

1、蛋白質(zhì)氣泡在生物醫(yī)學、化工、材料、消防、油氣田固井等領(lǐng)域有著廣泛的應用。在上述應用中，蛋白質(zhì)氣泡通過與其它流體混合或一起流動，由于形成氣泡的蛋白質(zhì)膜具有粘彈性，氣泡周圍的流體大多為非牛頓流體，這使得對蛋白質(zhì)氣泡在流體中的動力學特性問題的研究變得十分復雜。而蛋白質(zhì)氣泡在流體中的動力學特性又會直接影響氣泡在流體中的存活時間、分布均勻性以及整個流體的穩(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力學特性，對于更好地拓寬蛋白質(zhì)氣泡的應

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力學方程，研究分析了蛋白質(zhì)膜的粘彈特性、氣泡的幾何特性、氣泡周圍流體的性質(zhì)以及氣泡間的相互作用等因素對氣泡動力學特性的影響，為蛋白質(zhì)氣泡動力學特性的深入研究和應用領(lǐng)域的拓寬提供理論依據(jù)。本文主要研究內(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，推導出了蛋白質(zhì)膜變形與應力之間的非線性關(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，在不同初始壓力差作用下，氣泡內(nèi)外壓力達到平衡所需的時間及變形量均不相同。增加氣泡膜厚和粘彈性，既可以延長氣泡變形達到平衡的時間，又可以增強氣泡承受載荷的能力。
　　 (2)根據(jù)已經(jīng)推導出的粘彈性蛋白質(zhì)膜變形與應力之間的非線性關(guān)系，并結(jié)合氣泡變形

4、的動力學方程，建立了在內(nèi)外壓力差、彈性有限變形應力及粘性耗散應力共同作用下氣泡膜的非線性振動方程。通過對該方程進行計算分析，結(jié)果表明，氣泡在不同初始瞬態(tài)壓力差的作用下，氣泡的振動頻率、振幅衰減速率是不同的，停止振動時的大小也不相同；增加膜厚和粘性會抑制氣泡的振動幅值，增強氣泡承受動載荷的能力；對于初始大小不同的氣泡，小尺寸氣泡的振動頻率高，振動速度衰減慢。
　　 (3)考慮蛋白質(zhì)氣泡周圍非牛頓流體的粘性對氣泡外壁面上作用力的影響

5、，建立了Bingham流體中單個蛋白質(zhì)氣泡有限變形的動力學方程，通過對該方程進行計算分析，結(jié)果表明，增加Bingham流體的塑性粘度會使氣泡壁面振幅衰減速度加快，頻率降低，平衡時氣泡變形量小。并把計算結(jié)果與Bingham流體中空化氣泡的振動特性以及蛋白質(zhì)氣泡外壁面受壓力差作用下的振動特性進行了對比分析。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)氣泡在有限變形時的振幅衰減速度慢，振動的頻率低，振動停止

6、時蛋白質(zhì)氣泡的變形較小；與蛋白質(zhì)氣泡受壓力差作用下的振動特性相比，當流體的壓力與外壁面作用力大小相同時，流體中的蛋白質(zhì)氣泡壁面的振動周期增加，頻率減小，振動停止時的變形量較大。
　　 (4)在研究了單個蛋白質(zhì)氣泡在Bingham流體中振動特性的基礎(chǔ)上，研究了兩個蛋白質(zhì)氣泡在Bingham流體中的振動特性?？紤]了其中一個氣泡在Bingham流體中振動產(chǎn)生的Bjerknes力對另一個氣泡振動特性的影響，建立了兩個等徑蛋白質(zhì)氣泡在Bi

7、ngham流體中的非線性振動方程。通過對該方程進行計算分析，并在相同初始和邊界條件下與Bingham流體中單個蛋白質(zhì)氣泡的振動特性進行了比較。結(jié)果表明，Bingham流體中兩個蛋白質(zhì)氣泡比單個氣泡不但具有更高的振動頻率，而且振幅衰減速率更快；當兩個氣泡間的距離減小時，氣泡振動頻率增加，振幅衰減速率加快，而且氣泡的半徑越小，振動頻率的增加和振幅衰減的速率越大。
　　 (5)為了驗證蛋白質(zhì)氣泡的靜態(tài)變形特性，本文以蛋白質(zhì)氣泡在固井低