0
t.me/comsolfa_bot

مسائل شبیه سازی جداسازی ذرات با نیروی ‌آکوستوفورسیس یا آکوستوفورتیک در کامسول

در این مطلب به آموزش نکات مهم شبیه سازی و مدلسازی جداسازی ذرات با نیروی ‌آکوستوفورسیس یا آکوستوفورتیک در نرم افزار کامسول میپردازیم.

استفاده از امواج آکوستیکی برای دستکاری و جداسازی ذرات شناور در سیال مانند سلول‌ها، الهام بخش کار بسیاری از محققان شده و راه را برای به کارگیری میدان فراصوتی Acoustofluidic هموار کرده است. دستکاری ذرات معلق به روش‌های مختلفی انجام می‌شود، از جمله استفاده از امواج آکوستیک حجمی (BAW)، امواج آکوستیک سطحی (SAW)، نیروهای تابشی آکوستیکی و کشش ناشی از جریان آکوستیکی. دو مورد اخیر یعنی‌ نیروی تابشی آکوستیکی و کشش ناشی از جریان آکوستیکی برای تولید حرکت آکوستوفورتیک ذرات به کار گرفته می‌شود‌ (به عبارت دیگر حرکت به وسیله صوت) ، در واقع این روش ها وسیله ای برای دستکاری بدون برچسب سلول‌های زنده و با هزینه پایین را فراهم می‌کنند. که این به لطف سهولت روش ساخت میکرونی تراشه‌های آزمایشگاهی و ابزارهای MEMS و همچنین هزینه کم مبدل‌های فراصوتی است.

مطالعه عددی نیروی آکوستوفورسیس میکرو ذرات ( مطالعه حرکت ذرات تحت اثر امواج آکوستیکی فراصوتی و نیروی آکوستوفورتیک)

نیروهای تابشی (radiation forces) مستقیماً روی ذرات عمل می‌کنند و به دلیل حرکت انتقالی ذره نسبت به سیال در زمان انتشار امواج آکوستیک (این نیرو به کنتراست خواص مکانیکی بین ذرات معلق و سیالات بستگی دارد) اتفاق میافتد. ولی کشش ناشی از جریان آکوستیکی به این دلیل اتفاق میافتد که میدان آکوستیک با سیالات در تعامل است و یک جریان توده­ ای ثابت ایجاد می‌کند. هر دو روش یعنی نیروی تابشی آکوستیکی و کشش (drag) ناشی از جریان آکوستیکی، غیرخطی هستند و مقیاس متفاوتی دارند (تفاوت‌ها را در شکل‌های زیر مشاهده کنید). فرایند مدل سازی و شبیه سازی این دو روش (نیروی تابشی و کشش ناشی از جریان) در نرم افزار COMSOL Multiphysics در مقاله ای که توسط Jenson با استاد سابق پایان نامه دکتری خود یعنی پروفسور H. Bruus و دو نفر از دانشجویان دکتری خود PB Muller و R. Barnkob نوشته شده، ارائه شده است.( آدرس مقاله در انتهای متن) قابل ذکر است که گروه پروفسور H. Bruus بر روی جنبه‌های نظری جریان سیال در مقیاس میکرومتر (میکرو فلوئدیک) کار می‌کنند، که زیرمجموعه ای از آن Acoustofluidic است.

مشکل مولتی فیزیکی واقعی، ایده­ آلی برای COMSOL

زمانی که شروع به کار بر روی چگونگی حل تابش ترکیبی و مشکل جریان کردیم، به این نتیجه رسیدیم که مشکل ایده آل برای حل در COMSOL به عنوان یک مشکل مولتی فیزیکی واقعی است. این مشکل با استفاده از قابلیت Acoustics, CFD, و ماژول Particle Tracing حل می‌شود.

مشکل شبیه سازی جداسازی ذرات با نیروی ‌آکوستوفورسیس در کامسول تقریباً به شرح زیر حل می‌شود:

اولاً، میدان آکوستیک با استفاده از Thermoacoustic Interface حل می‌شود. در این راستا ضروریست که نحوه بکارگیری ویسکوزیته و انتقال حرارت واضح و روشن باشد، زیرا برای مدل سازی و حل لایه مرزی آکوستیک نازک، ذکر جزئیات لازم است. قابل ذکر است که در این لایه ضخیم میکرومتری، برخی از اثرات غیرخطی قویترین هستند. در واقع Thermoacoustic Interface معادلات خطی شده Navier-Stokes، پیوستگی و انرژی را برای یک سیال تراکم پذیر به عنوان حل میکند.

دوما، از نتایج میدان آکوستیک (مرتبه اول) به عنوان اصلاحات منبع در فیزیک Single-phase Flow استفاده می‌شود. بنابراین دو منبع از معادلات وجود دارد: یکی منبع نیروی حجمی و دیگری منبع جرمی است.

آموزش شبیه سازی جداسازی ذرات با نیروی دی الکتروفورسیس در کامسول

آموزش ویدئویی فارسی پیشنهادی

نهایتاً، فیزیک Particle Tracing Interface برای ردیابی و مدل سازی حرکت ذرات استفاده می‌شود. در اینجا ما پیش زمینه هر دو نیروی تابشی آکوستیکی (مشتق‌شده از میدان آکوستیک) و کشش ناشی از جریان آکوستیکی را فراهم می‌کنیم.

ما در مقاله شبیه سازی جداسازی ذرات با نیروی ‌آکوستوفورسیس در کامسول به وضوح نشان می‌دهیم که چگونه COMSOL می‌تواند برای حل و فصل تقریباً هر پدیده‌ فیزیکی شرح داده شده توسط معادلات دیفرانسیل جزئی و سیستم معادلات دیفرانسیل معمولی مورد استفاده قرار گیرد. ماهیت باز COMSOL برای ما امکان ویرایش و اصلاح فیزیک موجود را جهت متناسب سازی معادلات این برنامه پیشرفته، فراهم می‌کند. این امر به وضوح موجب شده است که انتخاب COMSOL برای هر محقق جهت حل مسائل غیر استاندارد گزینه ایده‌آل باشد.

شبیه سازی و مدلسازی نیروی آکوستوفورسیس اکوستوفورسیس در کامسول - Acoustophoresis در comsol multiphysics

شبیه سازی جداسازی ذرات با نیروی آکوستوفورتسیس و اکوستوفورتیک در کامسول - Acoustophoretic در comsol multiphysics

شکل (جهت متحرک کردن تصاویر بر روی آن کلیک کنید): حرکت ذرات پلی استایرن در آب با ابعاد مقطع عرضی میکروکانال ۳۶۰ میکرومتر در ۱۶۰ میکرومتر. ذرات با قطر کوچک‌تر از ۰٫۵ میکرون که در آن حرکت توسط کشش ناشی از جریان آکوستیکی(بالا) و ذرات با قطر بزرگ‌تر از ۵ میکرومتر که در آن حرکت توسط نیروی تابشی آکوستیکی(پایین) اداره می‌شود.

این متن از وبسایت comsol به فارسی با عنوان مشکل مولتی فیریکی Acoustofluidic : میکرو ذرات ‌آکوستوفورسیس در نرم افزار کامسول برگردان شده است، استفاده از ترجمه با ذکر نام کامسولفا مجاز است. مشاهده متن اصلی

منابع بیشتر

  1. A numerical study of microparticle acoustophoresis driven by acoustic radiation forces and streaming-induced drag forces”, in Lab on a Chip, 12, 4617–۴۶۲۷, P. B. Muller, R. Barnkob, M. J. Herring Jensen, and H. Bruus (2012)
  2. A tutorial in 23 papers on acoustofluidics in Lab on a Chip
  3. The work was also presented at the COMSOL conference in Milan in 2012
ارسال دیدگاه

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *