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http://www.repositorio.ufal.br/jspui/handle/123456789/11846
Tipo: | Tese |
Título: | Aplicações do método de elementos finitos na obtenção da força e torque de radiação acústica em partículas anisotrópicas |
Título(s) alternativo(s): | Applications of the finite element method in obtaining the force and torque of acoustic radiation in anisotropic particles |
Autor(es): | Lima, Everton Brito de |
Primeiro Orientador: | Andrade, José Henrique Araújo Lopes de |
metadata.dc.contributor.advisor-co1: | Silva, Glauber José Ferreira Tomaz da |
metadata.dc.contributor.referee1: | Leão Neto, José Pereira |
metadata.dc.contributor.referee2: | Barbosa, Askery Alexandre Canabarro |
metadata.dc.contributor.referee3: | Passos, Frederico Salgueiro |
Resumo: | Os campos acústicos médios de força e torque de radiação acústica, decorrem da interação não linear de uma onda acústica harmônica no tempo com uma partícula. Esses fenômenos são amplamente utilizados em acustofluídica, na manipulação de micropartículas como células e microrganismos. Aqui, destacaremos as contribuições de modelos numéricos desenvolvidos através do método de elementos finitos utilizados, primeiramente, na validação de modelos analíticos de interação não linear com partículas esferoidais de subcomprimento de onda, e posteriormente, na composição de um modelo semi-analítico que descreve os campos acústicos médios em uma partícula axissimétrica qualquer. No primeiro trabalho, as expressões analíticas para a força e torque de radiação acústica em um esferoide rígido de subcomprimento de onda são obtidas na aproximação de dipolo do espalhamento, onde a força possui uma componente gradiente e uma componente de espalhamento, enquanto o torque é dado em termos de uma contribuição devido ao momento e outra devido ao spin acústico. Comparamos os resultados numéricos e analíticos, utilizando um campo acústico composto por duas ondas planas com vetores de onda cruzados. Outro trabalho que também abrange o torque de radiação acústica em um esferoide de subcomprimento de onda será apresentado, entretanto com uma abordagem que destaca a relação entre o spin acústico e o torque devido a interação da partícula com um feixe de Bessel de primeira ordem, onde também veremos a comparação entre os resultados analíticos e os numéricos. No trabalho seguinte, foi proposto um método semi-analítico de notável eficiência na obtenção dos campos médios de força e torque de radiação acústica exercidos em qualquer partícula axissimétrica de subcomprimento de onda, imersa em um campo acústico arbitrário. Contornando, tanto as limitações dos métodos analíticos, restringidos a problemas com simetria em relação a um dado sistema de coordenadas, quanto às limitações dos métodos puramente numéricos, que demandam muito tempo e poder computacional para simular o comportamento da partícula ao longo do campo acústico. Neste trabalho, os campos acústicos médios são dados em função de coeficientes de espalhamento referentes aos modos de monopolo e dipolo, os quais são calculados numericamente em uma dada configuração simplista, e depois são utilizados para generalizar os resultados para qualquer campo incidente. Comparamos nosso método com um resultado exato para uma esfera rígida de subcomprimento de onda em água, bem como demonstramos o potencial da nossa metodologia, apresentando um exemplo de aplicação mais realista, utilizando um glóbulo vermelho imerso no plasma sanguíneo sob a atuação de uma onda ultrassônica estacionária. |
Abstract: | The mean acoustic fields of acoustic radiation torque and force result from the nonlinear interaction of a harmonic acoustic wave in time with a particle. These phenomena are widely used in acustofluidics, in the manipulation of microparticles such as cells and microorganisms. Here we will highlight the contributions of numerical models developed through the finite element method used, firstly, in the validation of analytical models of nonlinear interaction with spheroidal particles of subwavelength, and later, in the composition of a semi-analytical model that describes the fields acoustic averages on any axisymmetric particle. In the first work, the analytical expressions for the force and torque of acoustic radiation on a sub-wavelength rigid spheroid are obtained in the scattering dipole approximation, where the force has a gradient component of a scattering component, while torque is given in terms of a contribution due to momentum and another due to acoustic spin. We compared the numerical and analytical results, using an acoustic field composed of two plane waves with crossed wave vectors.. Another work that also involves the acoustic radiation torque on a subwavelength spheroid will be presented, however with an approach that highlights the relationship between the acoustic spin and the torque due to the interaction of the particle with a first order Bessel beam, where we will also see the comparison between analytical and numerical results. In the following work, a semi-analytical method of remarkable efficiency was proposed in obtaining the means-acoustics radiation force and torque fields exerted on any subwavelength axisymmetric particle, in an ordinary acoustic field. Bypassing both the limitations of analytical methods, restricted to problems with symmetry in relation to a given coordinate system, and the limitations of purely numerical methods, which demand a lot of time and computational power to simulate the behavior of the particle along the acoustic field. In this work, the mean-acoustic fields are given as a function of scattering coefficients referring to the monopole and dipole modes, which are numerically calculated in a given simplistic configuration, and then are used to generalize the results to any incident field. We compare our method with an exact result for a rigid sphere of subwavelength in water, as well as demonstrate the potential of our methodology, presenting a more realistic example of application using a red blood cell immersed in blood plasma under the action of a stationary ultrasonic wave. |
Palavras-chave: | Método de elementos finitos Força e torque de radiação acústica Manipulação de micropartículas Finite element method Acoustic radiation force and torque Manipulation of microparticles |
CNPq: | CNPQ::CIENCIAS EXATAS E DA TERRA::FISICA |
Idioma: | por |
País: | Brasil |
Editor: | Universidade Federal de Alagoas |
Sigla da Instituição: | UFAL |
metadata.dc.publisher.program: | Programa de Pós-Graduação em Física |
Citação: | LIMA, Everton Brito de. Aplicações do método de elementos finitos na obtenção da força e torque de radiação acústica em partículas anisotrópicas. 2023. [135] f. Tese (Doutorado em Física) – Programa de Pós-Graduação em Física, Instituto de Física, Universidade Federal de Alagoas, Maceió, 2023. |
Tipo de Acesso: | Acesso Aberto |
URI: | http://www.repositorio.ufal.br/jspui/handle/123456789/11846 |
Data do documento: | 13-abr-2023 |
Aparece nas coleções: | Dissertações e Teses defendidas na UFAL - IF |
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