تأثیر موقعیت اولیه رهایش بر حرکت ذرات در محل تعلیق فراصوت

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 گروه مهندسی مکانیک، دانشکده فنی و مهندسی، دانشگاه اراک، اراک، ایران

2 گروه مهندسی ساخت و تولید، دانشکده فنی و مهندسی، دانشگاه اراک، اراک، ایران

3 دانشگاه اراک

4 دانشگاه دیکینز، استرالیا

چکیده
تعلیق فراصوت به‌عنوان یک فناوری پیشرو در جانمایی غیرتماسی ذرات، به دلیل استقلال از خواص فیزیکی ماده و در نتیجه آن کاربردهای گسترده در حوزه‌هایی مانند صنایع داروسازی، میکروالکترونیک و مهندسی شیمی، جایگاه ویژه‌ای در پژوهش‌های نوین یافته است. بااین‌حال، بهره‌برداری بهینه از این فناوری مستلزم شناخت عمیق پارامترهای مؤثر بر پایداری و دینامیک ذرات است. در این مطالعه، تأثیر موقعیت اولیه رهایش ذرات به‌عنوان یک عامل کلیدی، بر رفتار دینامیکی ذرات تعلیق شده در سیستم تعلیق فراصوت مورد بررسی قرار گرفت. فشار آکوستیک در فرکانس ۲۰ کیلوهرتز، با استفاده از شبیه‌سازی چند فیزیکی در نرم‌افزار کامسول مدل‌سازی و رفتار ۲۰ ذره پلی‌پروپیلن (قطر ۳ میلی‌متر، چگالی ۹۱۰ کیلوگرم بر مترمکعب) در موقعیت‌های اولیه مختلف (از 23/0 تا01/8) تحلیل شد. نیروهای درگ، فشارصوتی و گرانش به‌عنوان نیروهای موثر در گپ تعلیق درنظر گرفته شدند. نتایج به‌دست آمده نشان داد، ذرات رهاشده در مجاورت گره فشاری کم‌ترین دامنه نوسانات و کوتاه‌ترین زمان رسیدن به پایداری را تجربه می‌کنند. با افزایش فاصله‌ی محل رهایش اولیه ذرات از گره فشار دامنه‌ی نوسانی و زمان رسیدن به ‌پایداری افزایش پیدا کرده است. تاثیر این عامل بر افزایش زمان پایداری در نقاط نزدیک به بازتابنده نسبت به نقاط نزدیک به مبدل بیش‌تر بوده که به معنی وضعیت پایدارتر ذرات تعلیق شده در این نقاط است. اعتبارسنجی تجربی تطابق قابل‌توجهی با نتایج شبیه‌سازی نشان داد.

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله English

The Effect Of Initial Release Point On Particle Motion In Acoustic Levitation

نویسندگان English

Mohammadreza sheykholeslami Borghani 1
Zahra Heydari 2
Davood Dehghani 3
Hamid Abdi 4
1 Department of mechanical engineering, Faculty of Engineering, Arak University, Arak, Iran
2 Manufacturing department, Engineering faculty,,Arak University, Arak, Iran
3 Arak University
4 Senior member of IEEE, School of Engineering, Deakin University, Geelong Waurn Ponds Campus, Australia
چکیده English

Ultrasonic levitation, as an advanced non-contact particle manipulation technology, has gained prominence in modern research due to its independence from material physical properties and extensive applications in fields such as pharmaceuticals, microelectronics, and sonochemistry. However, optimal utilization of this technology requires a deep insight into parameters affecting particle stability and dynamics. In this study, the impact of initial particle release position—a less-explored key factor—on the dynamic behavior of particles levitated in an ultrasonic levitation system was investigated. Acoustic pressure at 20 kHz was modeled using Multiphysics simulation in COMSOL software, and the behavior of 20 polypropylene particles (diameter: 3 mm, density: 910 kg/m³) at various initial positions (ranging from 0.23 to 8.01) was analyzed. Drag forces, acoustic pressure forces, and gravitational forces were considered effective forces. Results revealed that particles released near pressure nodes exhibited the lowest oscillation amplitude and shortest stabilization time. As the initial release distance from pressure nodes increased, both oscillation amplitude and stabilization time increased. This factor’s influence on stabilization time was more pronounced near the reflector than near the transducer, indicating that particles released close to the reflector achieve a more stable levitated state compared to those released close to the transducer. Experimental validation showed significant agreement with simulation results.

کلیدواژه‌ها English

Ultrasonic levitation
Initial release position
Particle movement
[1] Hasegawa K, Kono K. Oscillation characteristics of levitated sample in resonant acoustic field. AIP Advances. 2019;9.
[2] Amouchi A, Sheykholeslami, M., Mohammadi, R., Mazdak, S.,. Systematic Review of the Theories and Applications of Acoustic Levitation of Liquids]In persian]. Advanced and Smart  materials mechanics. 1402;3:310-24.
[3] Andrade MA, Polychronopoulos S, Memoli G, Marzo A. Experimental investigation of the particle oscillation instability in a single-axis acoustic levitator. AIP Advances. 2019;9.
[4] Tsujino S, Tomizaki T. Applications of acoustic levitation in chemical analysis and biochemistry. Acoustic Levitation: From Physics to Applications. 2020:151-79.
[5] Wang S, Wang X, You F, Xiao H. Review of ultrasonic particle manipulation techniques: applications and research advances. Micromachines. 2023;14:1487.
[6] Friend J, Yeo LY. Microscale acoustofluidics: Microfluidics driven via acoustics and ultrasonics. Reviews of Modern Physics. 2011;83:647-704.
[7] Mu G, Qiao Y, Sui M, Grattan KT, Dong H, Zhao J. Acoustic-propelled micro/nanomotors and nanoparticles for biomedical research, diagnosis, and therapeutic applications. Frontiers in Bioengineering and Biotechnology. 2023;11:1276485.
[8] Baer S, Andrade MA, Esen C, Adamowski JC, Schweiger G, Ostendorf A. Analysis of the particle stability in a new designed ultrasonic levitation device. Review of Scientific Instruments. 2011;82.
[9] Hasegawa K, Watanabe A, Abe Y. Acoustic manipulation of droplets under reduced gravity. Scientific Reports. 2019;9:16603.
[10] Barrios G, Rechtman R. Dynamics of an acoustically levitated particle using the lattice Boltzmann method. Journal of Fluid Mechanics. 2008;596:191-200.
[11] Foresti D, Bjelobrk N, Nabavi M, Poulikakos D. Investigation of a line-focused acoustic levitation for contactless transport of particles. Journal of applied physics. 2011;109.
[12] Amoochi A, Sheykholeslami MR, Mohammadi R, Mazdak S, Abdi H. Effect of physical properties on the oscillation of an acoustically levitated droplet. Journal of Particle Science and Technology. 2024;10:33-40.
[13] Röthlisberger M, Schuck M, Kolar JW. Kilohertz-frequency rotation of acoustically levitated particles. IEEE Transactions on Ultrasonics, Ferroelectrics, and Frequency Control. 2022;69:1528-34.
[14] Vashi A, Yadav AS, Nguyen N-T, Sreejith KR. Parametric analysis of acoustically levitated droplet for potential microgravity application. Applied Acoustics. 2023;213:109624.
[15] Pazos Ospina JF, Contreras V, Estrada-Morales J, Baresch D, Ealo JL, Volke-Sepúlveda K. Particle-size effect in airborne standing-wave acoustic levitation: Trapping particles at pressure antinodes. Physical Review Applied. 2022;18:034026.
[16] Vollmer B, Elke WJ, Sracic MW, Suthar K. Investigation and validation of the dynamic response of an acoustically levitated particle using the lattice Boltzmann method. AIP Advances. 2020;10.
[17] Dehghani D, . Sheykholeslami, M. R., Jabbari, A., & Mazdak, S. Investigation of Operational Parameters on the Motional Behavior and Maximum Particle Levitated Density in Ultrasonic Levitation [in Persian]. Journal of Solid and Fluid Mechanics. 1400; 11:71-82.
[18] Drewitt JW, Emmens B, Kong Z-H, Drinkwater BW, Barnes AC. MightyLev: An acoustic levitator for high-temperature containerless processing of medium-to high-density materials. Review of Scientific Instruments. 2024;95.
[19] Raffel J, Böhm T, Düsing J, Röhl M, Schilde C, Malshe AP, et al. Ultrasonic Levitation as a Handling Tool for In-Space Manufacturing Processes. Journal of Manufacturing Science and Engineering. 2024;146:121001.
[20] Contreras V, Volke-Sepúlveda K. Enhanced standing-wave acoustic levitation using high-order transverse modes in phased array ultrasonic cavities. Ultrasonics. 2024;138:107230.
[21] AB C. COMSOL Reference Manual. Version 5.6 ed2020.
[22] Griffiths DJ. Introduction to electrodynamics: Cambridge University Press, 2023.
[23] Clift R, Grace JR, Weber ME. Bubbles, drops, and particles. 2005.
[24] Hrka S. Acoustic levitation. University of Ljubljana, Faculty of Mathematics and Physics, Ljubljana. 2015;21.
[25] Bjelobrk N, Foresti D, Dorrestijn M, Nabavi M, Poulikakos D. Contactless transport of acoustically levitated particles. Applied Physics Letters. 2010;97.
[26] Gor'kov LP. On the forces acting on a small particle in an acoustical field in an ideal fluid.  Selected Papers of Lev P Gor'kov 2014. 315-7.
[27] Inukai A, Birukawa J, Matsumura S. Polypropylene and application of said polypropylene to electric material. Google Patents; 2010.
[28] Ma S-D, Zhong L-S, Wang W, Hu B, Xu C-X. Application Research Evolution of Ultrasonic Technology in Fabrication of Polymers. Gaofenzi Cailiao Kexue yu Gongcheng/ Polymer Materials Science & Engineering). 2007;23:15-8.
[29] Xie W, Wei B. Dependence of acoustic levitation capabilities on geometric parameters. Physical Review E. 2002;66:026605.
[30] Acoustofluidics HB. 7: The acoustic radiation force on small particles., 2012, 12. DOI: https://doi org/101039/c2lc21068a PMID: https://www ncbi nlm nih gov/pubmed/22349937.1014-21.
[31] Andrade MA, Buiochi F, Adamowski JC. Finite element analysis and optimization of a single-axis acoustic levitator. IEEE Transactions on Ultrasonics, Ferroelectrics, and Frequency Control. 2010;57:469-79.
دوره 5، شماره 2
تابستان 1404
صفحه 171-189

  • تاریخ دریافت 15 تیر 1404
  • تاریخ بازنگری 21 مرداد 1404
  • تاریخ پذیرش 03 شهریور 1404