مدل‌سازي سه‌بُعدي اجزاي محدود حركت ذره تحت اثر نيروي تابشي آكوستيكي در ميكروكانال

Three-Dimensional Finite Element Modeling of Particle Motion under the Influence of Acoustic Radiation Force in Microchannel

آكوستوفلويديك، به‌معني مطالعه آكوستيك در سيستم‌هاي ميكروفلويديك، بستر تجزيه و تحليل بسياري از كاربردهاي آزمايشگاهي از جمله جداسازي ذرات، دسته‌بندي ذرات، تميزكاري و اختلاط سيستم‌هاي چندفازي است. در پژوهش حاضر، يك مدل سه‌بُعدي اجزاي محدود براي شبيه‌سازي حركت ذرات تحت اثر نيروي تابشي آكوستيكي در ميكروكانال‌هاي آكوستيكي توسعه داده شده و اندركنش يك ذره معلق با موج رخداد در ميكروكانال‌ بررسي شده است. با استفاده از روش اجزاي محدود ابتدا ميدان‌هاي مرتبه اول ناشي از اعمال موج ايستا محاسبه شده و سپس نيروي تابشي آكوستيكي توسط معادلات اغتشاشي مرتبه دوم به‌صورت مستقيم محاسبه شده است. نتايج شبيه‌سازي براي نيروي تابشي آكوستيكي ابتدا در مقايسه با حل تحليلي در محدوده ريلي صحت‌سنجي شده و سپس براي خارج از اين محدوده كه حل تحليلي صريحي براي آن موجود نيست بررسي شده است. علاوه بر اين، حركت شبه‌استاتيكي ذره تحت اثر موج آكوستيكي اعمالي در ميكروكانال شبيه‌سازي شده است. براي شبيه‌سازي حركت ذره، تنش آكوستيكي روي سطح ذره محاسبه شده و به‌عنوان ورودي به معادلات جريان آرام منتقل مي‌شود. سپس نيروي درگ براساس تنش برشي ناشي از جريان حول ذره برآورد شده است. نتايج شبيه‌سازي نشان مي‌دهند كه سرعت ذره به موقعيت آن نسبت به گره موج در مركز ميكروكانال بستگي دارد. با نزديك‌شدن ذره به مركز ميكروكانال سرعت آن كاهش يافته تا جايي كه در مركز ميكروكانال متوقف مي‌شود.

Acoustofluidics, the study of acoustics in microfluidic systems, is the basis for analyzing many laboratory applications including the separation of particles, particle sorting, cleaning, and mixing multiphase systems. In this research, a three-dimensional finite element model for particle motion under acoustic radiation force in acoustic microchannels is developed and the interaction of the incident waves with a suspended particle in microchannel is investigated. Using finite element method, the first-order fields due to an applied standing wave are initially calculated and, then, the acoustic radiation force is directly calculated from the second-order perturbation equations. The simulation results for radiation force are first verified against the analytical solution in the Rayleigh limit and, then, examined beyond this limit, for which there is no explicit analytical solution. In addition, the quasi-static motion of a particle under the influence of an applied acoustic standing wave in microchannel is simulated. For simulating particle motion, the acoustic stress on particle surface is calculated and transferred as an input to the laminar flow equations. Then, the drag force is estimated based on the shear stress due to the flow around the particle. The simulation results demonstrate that the particle velocity depends on its position with respect to the wave node at the center of the microchannel. As the particle approaches to the center of microchannel, its velocity decreases until it stops at the center of microchannel.