Numerical computation of the acoustic radiation force exerted by a standing wave on an object immersed in a fluid by using a Lattice Boltzmann method for waves

ilustraciones, diagramas

Autores:
Castro Ávila, Esteban
Tipo de recurso:
Fecha de publicación:
2023
Institución:
Universidad Nacional de Colombia
Repositorio:
Universidad Nacional de Colombia
Idioma:
eng
OAI Identifier:
oai:repositorio.unal.edu.co:unal/85917
Acceso en línea:
https://repositorio.unal.edu.co/handle/unal/85917
https://repositorio.unal.edu.co/
Palabra clave:
530 - Física::534 - Sonido y vibraciones relacionadas
Computational Acoustics
Microfluidics
Acoustofluidics
Computational methods
Paralellization
Acoustic radiation force
Gor’kov potential
Lattice- Boltzmann method
Acoustical tweezers
Discrete transport Boltzmann equation
Conservation laws
Wave equation
Acústica computacional
Microfluídica
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Métodos computacionales
Paralelización
Pinzas acústicas
Fuerza de radiación acústica
Potencial de Gor’kov
Métodos de Lattice-Boltzmann
Ecuación de transporte de Boltzmann discreta
Leyes de conservación
Ecuación de ondas
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Propagación de ondas acústicas
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Sound wave propagation
Acústica
acoustics
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Rights
openAccess
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Reconocimiento 4.0 Internacional
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spelling Reconocimiento 4.0 Internacionalhttp://creativecommons.org/licenses/by/4.0/info:eu-repo/semantics/openAccesshttp://purl.org/coar/access_right/c_abf2Muñoz Castaño, José Daniel547be96cf62f81e8c6a0baaa6e4882a2Malgaretti, Paolo8dfdfdd633a3ffaad5876f5e61c019d2600Castro Ávila, Esteban872f81adfc023a7bf0aaa73a75ef2903Simulación de Sistemas FísicosCastro-Avila, Esteban [0009-0000-7867-2710]https://www.researchgate.net/profile/Esteban-Castro-Avila2024-04-15T20:38:25Z2024-04-15T20:38:25Z2023https://repositorio.unal.edu.co/handle/unal/85917Universidad Nacional de ColombiaRepositorio Institucional Universidad Nacional de Colombiahttps://repositorio.unal.edu.co/ilustraciones, diagramasThe present work introduces a numerical procedure to compute the acoustic radiation force produced by standing waves on a compressible object immersed in an inviscid fluid. Instead of simulating the fluid mechanics equations directly, the proposal uses a Lattice Boltzmann model for waves to compute the first-order perturbations of the pressure and velocity fields, and it use them to compute the second-order acoustic radiation force on each surface element of the object, and it employs an interpolation scheme with kernel to increase the accuracy. The computed force can later be used to integrate the object’s motion by using molecular dynamics. The method is implemented in the LB3D lattice Boltzmann simulation software and in a self-developed C++ code, and it is employed to integrate the total force on a sphere and a disk, respectively. The results reproduce with good accuracy the theoretical expressions by Gor’kov and Wei for the sphere and the disk, respectively, even with a modest number of Lattice-Botzmann cells. In addition, the force computed in the 2D case, when coupled to a molecular dynamics integration scheme, reproduces the motion of the disk to the standing wave nodes, when the disk is denser than the surrounding medium. The proposed procedure shows to be a promising tool for simulating phenomena where the acoustic radiation force plays a relevant role, like acoustic tweezers and the acoustic manipulation of microswimmers, with applications in medicine, biology, pharmaceutic industry and hydraulic engineering.El presente trabajo introduce un procedimiento numérico para calcular la fuerza de radiación acústica producida por ondas estacionarias sobre un objeto comprimible sumergido en un fluido no viscoso. En lugar de simular directamente las ecuaciones de la mecánica de fluidos, la propuesta utiliza un modelo Lattice Boltzmann para ondas para calcular las perturbaciones de primer orden de los campos de presión y velocidad, y las utiliza para calcular la fuerza de radiación acústica de segundo orden sobre cada elemento de la superficie del objeto, empleando un esquema de interpolación con kernel para aumentar la precisión. La fuerza calculada se puede utilizar posteriormente para integrar el movimiento del objeto mediante dinámica molecular. El método se implementa en el software de simulación Lattice Boltzmann LB3D y en un código C++ de desarrollo propio, y se emplea para integrar la fuerza total sobre una esfera y un disco, respectivamente. Los resultados reproducen con buena precisión las expresiones teóricas de Gor’kov y Wei para la esfera y el disco, respectivamente, incluso con un número modesto de celdas de Lattice-Botzmann. Adicionalmente, la fuerza calculada en el caso 2D, cuando se combina con un esquema de integración de dinámica molecular, reproduce el movimiento del disco hacia los nodos de la onda estacionaria, cuando el disco es más denso que el medio circundante. El procedimiento propuesto se muestra como una herramienta prometedora para simular fenómenos donde la fuerza de la radiación acústica juega un papel relevante, como las pinzas acústicas y la manipulación acústica de micronadadores, con aplicaciones en medicina, biología, industria farmacéutica e ingeniería hidráulica. (Texto tomado de la fuente).MaestríaMagíster en Ciencias - Físicaix, 104 páginasapplication/pdfengUniversidad Nacional de ColombiaBogotá - Ciencias - Maestría en Ciencias - FísicaFacultad de CienciasBogotá, ColombiaUniversidad Nacional de Colombia - Sede Bogotá530 - Física::534 - Sonido y vibraciones relacionadasComputational AcousticsMicrofluidicsAcoustofluidicsComputational methodsParalellizationAcoustic radiation forceGor’kov potentialLattice- Boltzmann methodAcoustical tweezersDiscrete transport Boltzmann equationConservation lawsWave equationAcústica computacionalMicrofluídicaAcustofluídicaMétodos computacionalesParalelizaciónPinzas acústicasFuerza de radiación acústicaPotencial de Gor’kovMétodos de Lattice-BoltzmannEcuación de transporte de Boltzmann discretaLeyes de conservaciónEcuación de ondasProcesamiento de datosPropagación de ondas acústicasData processingSound wave propagationAcústicaacousticsLattice Boltzmann methodsNumerical computation of the acoustic radiation force exerted by a standing wave on an object immersed in a fluid by using a Lattice Boltzmann method for wavesCómputo numérico de la fuerza de radiación acústica ejercida por una onda estacionaria en un objeto inmerso en un fluido usando un método de Lattice Boltzmann para ondasTrabajo de grado - Maestríainfo:eu-repo/semantics/masterThesisinfo:eu-repo/semantics/acceptedVersionTexthttp://purl.org/redcol/resource_type/TMAndrade, M. A. B.; P´erez, N.; Adamowski, J. C. Brazilian Journal of Physics 2018, 48, 190–213.Mohanty, S.; Khalil, I. S. M.; Sarthak Misra1, 2. The royal society 2020, 476, DOI:10.1098/rspa.2020.0621.Ahmed, D.; Sukhov, A.; Hauri, D.; Rodrigue, D.; Maranta, G.; Harting, J.; Nelson, B. J. Nat Mach Intell 2021, 3, 116–124.Shi, J.; Ahmed, D.; Mao, X.; Lin, S.-C. S.; Lawit, A.; Huang, T. J. Lab Chip 2009,9, 2890–2895.Marzo, A.; Seah, S. A.; et. al., B. W. D. NATURE COMMUNICATIONS 2015, 6, DOI: 10.1038/ncomms9661.Ozcelik, A.; Rufo, J.; et. al., F. G. Nature Methods 2018, 15, 1021–1028Ghanem, M. A.; Maxwell, A. D.; Wang, Y.-N.; Cunitz, B. W.; Khokhlova, V. A.; Sapozhnikov, O. A.; Bailey, M. R. Proceedings of the National Academy of Sciences 2020, 117, 16848–16855Ashkin, A. Phys. Rev. Lett. 1970, 24, 156–159King, L. V. Proc. R. Soc. Lond. A 1934, 147, 212–240King, L. V. Proc. R. Soc. Lond. A 1935, 153, 1–16Gor’kov, L. P. SOVIET PHYSICS- DOKLADY 1962, 6, 773–776Wu, J.; Du, G. J. Acoust. Soc. 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