微颗粒声操控的理论及试验
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中图分类号:

O368; TH122

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(国家自然科学基金资助项目(51975278);中央高校基本科研业务费专项基金资助项目(NS2019009);机械结构力学及控制国家重点实验室基金资助项目(MCMSI0318Y01);江苏省自然科学基金资助项目(BK20181292)


Theoretical and Experimental Researches on Acoustic Manipulations of Microparticles
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    摘要:

    介绍了一种用于操控微纳粒子运动的声流场计算理论及试验验证方法。引入摄动理论,将固体边界的超声振动作为扰动量,用于计算液体质点的一阶声压和振动速度变化;进一步转化为引起流体流动的负载作用力,用于计算二阶流场中的流速变化,最终得到经过时间平均后的流场分布情况。有限元计算结果表明,微结构边界的超声振动引起了特定模式的流场流动,并且在微结构附近的液体流动速度明显高于其他位置,可以用于微纳颗粒在局部位置的精准操控。利用直径10μm的聚苯乙烯颗粒进行了试验验证,基本证实了声流场计算理论的准确性。基于摄动理论构建的声流场计算模型,有效解决了复杂边界的超声振动与流场流动的耦合计算问题,对下一步设计具有精准操控功能的声操控型微纳作动器具有较好的指导意义。

    Abstract:

    An acoustofluidic calculation theory and relevant experiments have been developed in this study. With the perturbation theory, the ultrasound vibration from the solid boundaries is considered as the higher-order perturbation terms in order to calculate the first order acoustic pressure and velocity, which could be transformed into the load source for calculating the second order streaming velocity in liquid and the time averaged flow field distribution. It is obtained from the numerical results that specific acoustic streaming could be generated by the ultrasound vibration from the solid boundaries and the intensity near the boundary walls is notably stronger than that of other regions far away from the solid structures. Last, experimental manipulation on 10μm polystyrene particles basically confirms the effectiveness of the calculation method. The proposed acoustofluidic calculation model based on perturbation theory is helpful for solving the coupling issues of complex ultrasound vibration and fluid flow, which paves the way for developing precise acoustic manipulation platforms for the next step.

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  • 在线发布日期: 2020-12-25
  • 出版日期: 2020-12-30
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