SUPERVISOR
Ali Loghmani,Hamidreza Mirdamadi
علی لقمانی (استاد مشاور) سیدحمیدرضا میردامادی (استاد راهنما)
STUDENT
Sadegh Naderi
صادق نادری
FACULTY - DEPARTMENT
دانشکده مهندسی مکانیک
DEGREE
Master of Science (MSc)
YEAR
1395
TITLE
Analysis of novel hybrid acoustophoresis/centrifugal separating system
Separation processes exploit differences in the physical or chemical properties of the particles to separate them from each other. These processes are classified according to the different properties of particles they exploit and the method that they use for separation. Among available techniques, acoustophoresis is considered as a method that can separate particles and cells regardless of being metal or non-metal. There is no need to use additive substances in this technique and being a non-contact method, acoustophoresis is able to manipulate living cells without any malicious effects on them. Miniaturizing is another advantage of this method. Acoustophoresis is made of two parts, "acousto" as a method which uses sound waves to cause the movement and levitation of particles and cells and "phoresis" meaning migration. Particles that are exposed to an acoustic standing wave experience acoustic radiation forces due to their differences in their acoustic properties with the host fluid. Acoustic streaming is a vortical time-averaged phenomenon in acoustofluidic devices that arises due to the acoustic waves in a viscous fluid near solid boundaries, e.g. walls. Particles which are present in a streaming field experience drag forces due to this flow. Numerical modeling of acoustophoresis problems has been very challenging in the last decades. Numerical modeling of the 3D acoustophoresis problem with direct solving of the governing equations uses high computational costs. In this research, acoustophoresis problem is numerically modeled and 1st order acoustic fields and 2nd order streaming fields are solved and analyzed. Forces acting on the particles consisting of radiation force and drag force due to the streaming field are calculated and particles are traced fin the microchannel. Reynolds Stress Method (RSM) and Limiting Velocity Method (LVM) are separately used to model the 2D acoustophoresis problem. The results obtained from these methods are compared with each other and verified with the results from other researchers. LVM is used to model the 3D problem due to its low computational costs compared to the RSM. Results of numerical solution of 3D fixed microchannel model are compared with 2D results and their validation is confirmed. Finally, the effect of rotation of the microchannel on the displacement of the particles is studied. Centrifugal and drag forces stemmed from the equilibrium state of the fluid are added to the radiation and drag forces stemmed from the acoustic streaming. By using rotation, one can separate particles with larger radiuses from the ones with smaller radiuses. This separation can be achieved as the particles with a small radius experience smaller radiation forces. Large particles move towards the pressure node, whereas small particles are affected by centrifugal and drag forces stemmed from acoustic streaming and equilibrium state of the fluid and move towards the sidewalls of the microchannel. Keywords: Acoustophoresis, Centrifugal, Separator, Acoustic, Standing Wave, Radiation Force, Viscous Fluid
فرایندهای جداسازی از تفاوتهای ویژگیهای فیزیکی و یا شیمیایی ذرهها برای جدا کردن آنها از یکدیگر استفاده میکنند. این فرایندها بر پایهی عملکرد بر اساس این تفاوتها و شیوهی استفاده از آنها برای جداسازی تقسیمبندی میشوند. از میان روشهای موجود، آکوستوفورز بهعنوان روشی که توانایی جداسازی ذرهها و یاختهها را بیتوجه به فلز و یا نافلز بودن ذرهها دارد و نیازی به استفاده از مادههای افزودنی و یا تماس با ذرهها و یاختهها و درنتیجه تخریب آنها ندارد و قابلیت استفاده در فضاهای بسیار کوچک و ریزدستگاهها را دارد، بسیار مورد توجه پژوهشگران زمینههای زیستشناسی و مهندسی پزشکی قرار گرفته است. آکوستوفورز از دو قسمت آکوستو بهعنوان روشی که در آن از موجهای صوتی برای جابهجایی و شناورسازی ذرهها استفاده میشود و فورز به معنی جابهجایی تشکیل شده است. به ذرههایی که در معرض موجهای آکوستیکی ایستان قرار دارند -به دلیل تفاوت در ویژگیهای آکوستیکی با سیال میزبان- نیروی تشعشع آکوستیکی وارد میشود. روانه شدن آکوستیکی، یک پدیدهی گردابهای میانگین زمانی است که در دستگاههای آکوستیک- سیال به کمک پرتوهای آکوستیکی در یک سیال گرانرو در نزدیکی مرزهای جامد همچون دیوارهها پدید میآید. به ذرههای موجود در میدان روانه شدن آکوستیکی نیروی پسای برآمده از این جریان وارد میشود. مدلسازی عددی مسالهی آکوستوفورز در دهههای پیشین بسیار چالشبرانگیز بوده است. حل عددی مسالهی آکوستوفورز سهبعدی در روشهای (حل مستقیم معادلهها) هزینهی محاسباتی بسیار زیادی دارد. در این پژوهش مسالهی آکوستوفورز به شکل عددی مدلسازی میشود و میدانهای تقریب با فرآشفتگی مرتبهی اول آکوستیک و میدانهای روانه شدن حل و واکاوی میشوند. نیروهای وارد بر ذره (نیروی تشعشع آکوستیکی و نیروی پسای برآمده از روانه شدن) محاسبه میشوند و با استفاده از آنها، حرکت ذرهها در ریزگذرگاه ردیابی میشود. از دو روش تنش رینولدز (RSM) و سرعت حدی (LVM) برای مدلسازی دوبعدی مسالهی آکوستوفورز استفاده شده است. نتیجههای بهدست آمده از این دو روش با یکدیگر مقایسه و با نتیجههای پیشین بهدست آمده توسط دیگر پژوهشگران راستیآزمایی شدهاند. LVM به دلیل حجم محاسباتی بسیار کمتر نسبت به RSM بهعنوان تنها روش برای مدلسازی سهبعدی انتخاب شده است. نتایج حل مدل سهبعدی برای حالتی که ریزگذرگاه در مکان ثابتی قرار دارد با نتایج حل دوبعدی مقایسه شده و درستی آنها تایید شده است. در پایان، اثر چرخش ریزگذرگاه بر جابهجایی ذرههای درون آن در مدل سهبعدی بررسی میشود. در حالت چرخش ریزگذرگاه، نیروی گریز از مرکز و نیروی پسای سیال در حالت تعادلی به نیروهای تشعشع آکوستیکی و پسای برآمده از روانه شدن افزوده میشوند. با استفاده از چرخش میتوان ذرههای با اندازهی شعاع بزرگتر را از ذرههای با اندازهی شعاع کوچکتر جدا نمود. این جداسازی به دلیل کمتر زیر اثر نیروی تشعشع قرار گرفتن ذرههای کوچک بهدست میآید. ذرههای بزرگ به دلیل چیره بودن نیروی تشعشع بر آنها به سمت گرهی فشار حرکت میکنند؛ درحالیکه ذرههای کوچکتر، زیر اثر نیروی مرکزگریز و پسای برآمده از حالت تعادلی و روانه شدن آکوستیکی قرار میگیرند و به سمت دیوارههای کناری ریزگذرگاه حرکت میکنند. کلمات کلیدی: آکوستوفورز، مرکزگریز، جداساز، آکوستیک، موج ایستان، نیروی تشعشع، سیال گرانرو