مدل‌سازی سه‌بُعدی اجزای محدود حرکت ذره تحت اثر نیروی تابشی آکوستیکی در میکروکانال

آکوستوفلویدیک، به معنی مطالعه آکوستیک در سیستم های میکروفلویدیک، بستر تجزیه و تحلیل بسیاری از کاربردهای آزمایشگاهی از جمله جداسازی ذرات، دسته بندی ذرات، تمیزکاری و اختلاط سیستم های چندفازی است. در پژوهش حاضر، یک مدل سه بُعدی اجزای محدود برای شبیه سازی حرکت ذرات تحت اثر نیروی تابشی آکوستیکی در میکروکانال های آکوستیکی توسعه داده شده و اندرکنش یک ذره معلق با موج رخداد در میکروکانال بررسی شده است. با استفاده از روش اجزای محدود ابتدا میدان های مرتبه اول ناشی از اعمال موج ایستا محاسبه شده و سپس نیروی تابشی آکوستیکی توسط معادلات اغتشاشی مرتبه دوم به صورت مستقیم محاسبه شده است. نتایج شبیه سازی برای نیروی تابشی آکوستیکی ابتدا در مقایسه با حل تحلیلی در محدوده ریلی صحت سنجی شده و سپس برای خارج از این محدوده که حل تحلیلی صریحی برای آن موجود نیست بررسی شده است. علاوه بر این، حرکت شبه استاتیکی ذره تحت اثر موج آکوستیکی اعمالی در میکروکانال شبیه سازی شده است. برای شبیه سازی حرکت ذره، تنش آکوستیکی روی سطح ذره محاسبه شده و به عنوان ورودی به معادلات جریان آرام منتقل می شود. سپس نیروی درگ براساس تنش برشی ناشی از جریان حول ذره برآورد شده است. نتایج شبیه سازی نشان می دهند که سرعت ذره به موقعیت آن نسبت به گره موج در مرکز میکروکانال بستگی دارد. با نزدیک شدن ذره به مرکز میکروکانال سرعت آن کاهش یافته تا جایی که در مرکز میکروکانال متوقف می شود.

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

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 threedimensional 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 firstorder fields due to an applied standing wave are initially calculated and, then, the acoustic radiation force is directly calculated from the secondorder 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 quasistatic 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.