Численное исследование движения твердой частицы в поле ультразвуковой стоячей волны
DOI:
https://doi.org/10.7242/1999-6691/2025.18.4.32Ключевые слова:
ультразвуковая стоячая волна, распределение акустического давления, потенциал Горькова, сила акустического излучения, сила вязкого трения, динамика частицы, численное моделированиеАннотация
Работа посвящена численному исследованию движения твердой частицы в поле ультразвуковой стоячей волны в замкнутой полости, заполненной вязкой жидкостью. Моделирование движения твердой частицы выполняется в два этапа. На первом этапе рассчитывается распределение акустического давления в жидкости, при этом влияние на него течения и частицы не учитывается. Рассматриваются два типа источника ультразвука: излучатель, занимающий всю нижнюю границу полости, и излучатель конечного размера. При первом типе источника распределение акустического давления для плоской гармонической волны получается аналитическим путем из одномерного уравнения Гельмгольца. При излучателе конечного размера уравнение Гельмгольца решается численно, методом конечных элементов, что дает возможность принять во внимание сложную структуру звукового поля и краевые эффекты вблизи излучателя. На втором этапе по рассчитанному звуковому полю вычисляются распределения потенциала Горькова и силы акустического излучения, действующей на твердую частицу заданного размера. Посредством численного решения уравнений движения частицы с учетом присоединенной массы и установленной силы акустического излучения и вязкого трения рассчитываются траектории движения частицы в поле ультразвуковой стоячей волны. Для определения коэффициента сопротивления в диапазоне чисел Рейнольдса от 0.1 до 0.8×10³ используется модель Шиллера-Науманна. Расчеты проведены для различных начальных положений частицы. Вычисленные данные согласуются с известными представлениями о движении твердых частиц в поле ультразвуковой стоячей волны. В соответствии с ними твердая частица под действием силы акустического излучения стремится попасть в область минимума потенциала Горькова, в которой находятся узлы стоячей волны. Моделирование движения частицы в поле ультразвуковой стоячей волны, возникающей под действием излучателя конечного размера, позволило описать смещение частицы в направлении, перпендикулярном направлению распространения волны, наблюдавшееся в экспериментах.
Скачивания
Библиографические ссылки
Lai T.W., Tennakoon T., Chan K.C., Liu C.-H., Chao C.Y.H., Fu S.C. The effect of microchannel height on the acoustophoretic motion of sub-micron particles // Ultrasonics. 2024. Vol. 136. 107126. DOI: 10.1016/j.ultras.2023.107126
Namnabat M.S., Moghimi Zand M., Houshfar E. 3D numerical simulation of acoustophoretic motion induced by boundary-driven acoustic streaming in standing surface acoustic wave microfluidics // Scientific Reports. 2021. Vol. 11, no. 1. 13326. DOI: 10.1038/s41598-021-90825-z
Коновалов В.В., Любимова Т.П., Прокопьев С.А. Взаимодействие газового пузыря и твердой частицы в жидкости под действием акустических вибраций // Вычислительная механика сплошных сред. 2023. Т. 16, № 2. C. 141–149. DOI: 10.7242/1999-6691/2023.16.2.11
Mao Y., Xia W., Peng Y., Xie G. Ultrasonic-assisted flotation of fine coal: A review // Fuel Processing Technology. 2019. Vol. 195. 106150. DOI: 10.1016/j.fuproc.2019.106150
Chen Y., Truong V.N.T., Bu X., Xie G. A review of effects and applications of ultrasound in mineral flotation // Ultrasonics Sonochemistry. 2020. Vol. 60. 104739. DOI: 10.1016/j.ultsonch.2019.104739
Bhangu S.K., Ashokkumar M. Theory of Sonochemistry // Sonochemistry: From Basic Principles to Innovative Applications. 2016. P. 1–28. DOI: 10.1007/978-3-319-54271-3_1
Viciconte G., Sarvothaman V.P., Guida P., Truscott T.T., Roberts W.L. High-speed imaging and coumarin dosimetry of horn type ultrasonic reactors: influence of probe diameter and amplitude // Ultrasonics Sonochemistry. 2025. 107362. DOI: 10.1016/j.ultsonch.2025.107362
Wang X., Liang J. Single-bubble sonoluminescence at two adjacent antinodes in a standing wave acoustic field // Ultrasonics Sonochemistry. 2025. 107662. DOI: 10.1016/j.ultsonch.2025.107662
Bazyar H., Kandemir M.H., Peper J., Andrade M.A.B., Bernassau A.L., Schroën K., Lammertink R.G.H. Acoustophoresis of monodisperse oil droplets in water: Effect of symmetry breaking and non-resonance operation on oil trapping behavior // Biomicrofluidics. 2023. Vol. 17, no. 6. DOI: 10.1063/5.0175400
Shi Q., Baasch T., Liu Z., Fornell A., Werr G., Barbe L., Tenje M. Effects of the choice of the continuous phase in droplet microfluidics on internal particle manipulation with acoustophoresis // The Journal of the Acoustical Society of America. 2025. Vol. 157, no. 6. P. 4262–4272. DOI: 10.1121/10.0036771
Ma J., Liang D., Yang X., Wang H., Wu F., Sun C., Xiao Y. Numerical study of acoustophoretic manipulation of particles in microfluidic channels // Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part H: Journal of Engineering in Medicine. 2021. Vol. 235, no. 10. P. 1163–1174. DOI: 10.1177/09544119211024775
Jiao J., He Y., You P., Shan F., Cui D. The history force on bubbles translational motion in an acoustic field // Ultrasonics Sonochemistry. 2020. Vol. 66. 105113. DOI: 10.1016/j.ultsonch.2020.105113
Urbansky A., Ohlsson P., Lenshof A., Garofalo F., Scheding S., Laurell T. Rapid and effective enrichment of mononuclear cells from blood using acoustophoresis // Scientific Reports. 2017. Vol. 7, no. 1. 17161. DOI: 10.1038/s41598-017-17200-9
Kim U., Oh B., Ahn J., Lee S., Cho Y. Inertia–Acoustophoresis Hybrid Microfluidic Device for Rapid and Efficient Cell Separation // Sensors. 2022. Vol. 22, no. 13. 4709. DOI: 10.3390/s22134709
El Hassan M., Bukharin N., Al-Kouz W., Zhang J.-W., Li W.-F. A Review on the Erosion Mechanism in Cavitating Jets and Their Industrial Applications // Applied Sciences. 2021. Vol. 11, no. 7. 3166. DOI: 10.3390/app11073166
Исакович М.А. Общая акустика. М.: Наука, 1973. 496 с.
Бреховских Л.М. Волны в слоистых средах. М.: Наука, 1973. 343 с.
Kuchinskiy M., Lyubimova T., Rybkin K., Sadovnikova A., Galishevskiy V. Investigation of Cavitation in NaCl Solutions in a Sonochemical Reactor Using the Foil Test Method // Fluid Dynamics & Materials Processing. 2024. Vol. 20, no. 5. DOI: 10.32604/fdmp.2024.050059
Lyubimova T., Rybkin K., Fattalov O., Kuchinskiy M., Filippov L. Experimental study of temporal dynamics of cavitation bubbles selectively attached to the solid surfaces of different hydrophobicity under the action of ultrasound // Ultrasonics. 2021. Vol. 117. 106516. DOI: 10.1016/j.ultras.2021.106516
Maxey M.R., Riley J.J. Equation of motion for a small rigid sphere in a nonuniform flow // The Physics of Fluids. 1983. Vol. 26, no. 4. P. 883–889. DOI: 10.1063/1.864230
Lyubimov D.V., Klimenko L.S., Lyubimova T.P., Filippov L.O. The interaction of a rising bubble and a particle in oscillating fluid // Journal of Fluid Mechanics. 2016. Vol. 807. P. 205–220. DOI: 10.1017/jfm.2016.608
Горьков Л.П. О силах, действующих на малую частицу в акустическом поле в идеальной жидкости // Доклады Академии наук СССР. 1961. Т. 140, № 1. C. 88–91.
Saeidi D., Saghafian M., Haghjooy Javanmard S., Hammarström B., Wiklund M. Acoustic dipole and monopole effects in solid particle interaction dynamics during acoustophoresis // The Journal of the Acoustical Society of America. 2019. Vol. 145, no. 6. P. 3311–3319. DOI: 10.1121/1.5110303
Kshetri K.G., Nama N. Acoustophoresis around an elastic scatterer in a standing wave field // Physical Review E. 2023. Vol. 108, no. 4. 045102. DOI: 10.1103/PhysRevE.108.045102
Bharat B. Encyclopedia of Nanotechnology. Springer Dordrecht, 2015. 2868 p. . DOI: 10.1007/978-94-007-6178-0
Clift R., Grace J.R., Weber M.E. Bubbles, drops, and particles. Dover Publications, Inc., 2005. 381 p.
Goossens W.R.A. Review of the empirical correlations for the drag coefficient of rigid spheres // Powder Technology. 2019. Vol. 352. P. 350–359. DOI: 10.1016/j.powtec.2019.04.075
Kaltenbacher M. Computational Acoustics. Cham: Springer International Publishing, 2018. DOI: 10.1007/978-3-319-59038-7
Sboev I., Lyubimova T., Rybkin K., Kuchinskiy M. A Numerical Investigation of the Effect of Boundary Conditions on Acoustic Pressure Distribution in a Sonochemical Reactor Chamber // Fluid Dynamics & Materials Processing. 2024. Vol. 20, no. 6. DOI: 10.32604/fdmp.2024.051341
Сбоев И.О., Любимова Т.П., Кучинский М.О., Рыбкин К.А. Распределения акустического давления и зон кавитационной активности в жидкости: численное моделирование и эксперимент // Вычислительная механика сплошных сред. 2025. Т. 18, № 1. C. 68–85. DOI: 10.7242/1999-6691/2025.18.1.6
Chung J., Hulbert G.M. A Time Integration Algorithm for Structural Dynamics With Improved Numerical Dissipation: The Generalized-α Method // Journal of Applied Mechanics. 1993. Vol. 60, no. 2. P. 371–375. DOI: 10.1115/1.2900803
Jansen K.E., Whiting C.H., Hulbert G.M. A generalized-α method for integrating the filtered Navier–Stokes equations with a stabilized finite element method // Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering. 2000. Vol. 190, no. 3/4. P. 305–319. DOI: 10.1016/S0045-7825(00)00203-6
Kuchinskiy M.O., Lyubimova T.P., Rybkin K.A., Galishevskiy V.A., Sadovnikova A.D. Influence of ultrasound on the dynamics of an air bubble near a solid surface // The European Physical Journal Special Topics. 2024. Vol. 233, no. 8. P. 1695–1708. DOI: 10.1140/epjs/s11734-024-01243-x
Загрузки
Опубликован
Выпуск
Раздел
Лицензия
Copyright (c) 2026 Вычислительная механика сплошных сред
Это произведение доступно по лицензии Creative Commons «Attribution-NonCommercial» («Атрибуция — Некоммерческое использование») 4.0 Всемирная.
