Розроблення та дослідження моделі акустичного левітатора
Автор: Гнип Ростислав Іванович
Кваліфікаційний рівень: магістр
Спеціальність: Інформаційні технології проектування
Інститут: Інститут комп'ютерних наук та інформаційних технологій
Форма навчання: денна
Навчальний рік: 2020-2021 н.р.
Мова захисту: українська
Анотація: Гнип Р.І., Климкович Т.А. (керівник). Розроблення та дослідження моделі акустичного левітатора. Maгicтepcька кваліфікаційна po6oта. – Національний університет «Львівська політехніка», Львів, 2020. Розширена анотація Акустичний левітатор використовується для левітування рідини та твердих частинок в акустичному полі. Стоячі акустичні хвилі створюють поле акустичного тиску, і під дією сили акустичного випромінювання частинки розташовуються у вузлах стоячої хвилі. Сила залежить від усередненого за часом тиску та інерційної взаємодії між частинками і акустичним полем. Для левітації об’єктів доступні різні методи, включаючи магнітну, електричну, оптичну, аеродинамічну та акустичну левітації. Акустична левітації має здатність левітувати майже будь-який матеріал, включаючи тверді речовини, рідини і навіть дрібних живих тварин. Ця універсальність робить акустичну левітацію перспективним інструментом в аналітичній хімії, матеріалознавстві, фармації, мікротехнологіях тощо [1-3]. Мета і задачі дослідження. Хоча за останні роки було досягнуто значного прогресу у вивченні та застосуванні акустичної левітації, ще є багато проблем які потребують дослідження. Для пришвидшення та здешевлення процесу розроблення нових пристроїв можна застосувати математичне моделювання. З цією метою планується розробити у інтерактивному середовищі COMSOL Multiphysics модель акустичного левітатора та провести його дослідження для підбору його оптимальних розмірів та конфігурації, розмірів та густини левітованих часточок. Об’єкт дослідження – процес акустичної левітації. Предмет дослідження – модель акустичного левітатора, побудована у середовищі COMSOL Multiphysics. Наукова новизна одержаних результатів. Розроблено нову модель акустичного левітатора, яка дозволяє дослідити процес акустичної левітації та підібрати розміри та конфігурацію камери; оцінити величину та густину часточок, які можуть бути левітовані при вказаних параметрах камери. Практичне значення одержаних результатів. Розроблену модель акустичного левітатора можна застосовувати для підбору оптимальних розмірів та конфігурації реальних пристроїв. Впровадження такої моделі у виробництво може значно пришвидшити та здешевити виробництво акустичних левітаторів. Наведено огляд теорії акустичної левітації, показано, як використовуючи рівняння динаміки рідини можна отримати рівняння лінійної хвилі та тиску акустичного випромінювання. Описано різні методи акустичної левітації, які здатні підвішувати предмети в повітрі. Показано важливість моделювання для дослідження в усіх областях науки і техніки. Розглянуто сучасні програмні пакети, призначені для інженерних розрахунків, аналізу та моделювання фізичних процесів. Проведено порівняння двох найбільш популярних САЕ-систем, які мають можливості для моделювання акустичних процесів - ANSYS і COMSOL. Зроблено висновок, що ANSYS орієнтований більше на конкретні програми, що входять до пакету, а COMSOL більше підходить для розробки нових додатків. Розглянуто основні фізичні інтерфейси модуля акустика та модуля трасування частинок, які будуть необхідні для побудови моделі акустичного левітатора. Розроблено модель акустичного левітатора у інтерактивному середовищі COMSOL Multiphysics. Проведено дослідження конфігурації та розташування випромінювача та відбивача акустичної хвилі. Вибрано оптимальний дизайн для вибраної частоти акустичної хвилі. Проведено дослідження густини та діаметру часточок, які левітують при вибраній конфігурації левітатора. Ключові слова – акустичний левітатор, акустична левітація, стояча хвиля, моделювання, COMSOL Multiphysics Перелік використаних джерел. T. Vasileiou, D. Foresti, A. Bayram, D. Poulikakos, and A. Ferrari Toward Contactless Biology: Acoustophoretic DNA Transfection, Sci. Rep. 6, 20023 (2016). https://doi.org/10.1038/srep20023) Andrade, M.A.B., Perez, N. & Adamowski, J.C. Review of Progress in Acoustic Levitation. Braz J Phys 48, 190–213 (2018). https://doi.org/10.1007/s13538-017-0552-6 J. Schenk, L. Trobs, F. Emmerling, J. Kneipp, U. Panne, M. Albrecht, Simultaneous UV/Vis spectroscopy and surface enhanced Raman scattering of nanoparticle formation and aggregation in levitated droplets. Anal. Methods 4, 1252 (2012)