Simulação de um Sistema de Levitação Acústica para Manipulação de Partículas

em Ar

Marco A. B. Andrade1, Nicolás Pérez2, Julio C. Adamowski3

1Instituto de Física, Universidade de São Paulo2Centro Universitario de Paysandu, Universidad de la República, Uruguay

3Escola Politécnica, Universidade de São Paulo

Sumário

• Levitação acústica

• Teoria – Força de Radiação acústica

• Sistema de manipulação de partículas

• Simulação – COMSOL

• Comparação com resultados experimentais

Levitação acústica

Princípio de funcionamento

Levitação acústica

transdutor

nós

λ/2

refletor

Onda estacionária

u0

Força de radiação acústica:

Teoria de Gor`kov

Aproximar formiga por uma esfera(R <<λ)

Teoria de Gor`kov

⋅−=

232 2

23 uuf

ff c

pRU

ρρ

π

Potencial da força de radiação acústica:

U−∇=F

R – raio da partícula

p – pressão acústica

u – velocidade

ρf – densidade do fluido

cf – velocidade de propagação

Força de radiação acústica :

Teoria de Gor`kov

⋅−==

2

~~

3

~

2~

2

20

3

uupuR

UUρπ

Potencial adimensional:

0

~cupp

ρ=

0

~uuu =

onde:

Potencial da força de radiação acústica:

Potencial de uma mola

kxdxdUF −=−=

2

21 kxU =

kM

Potencial da força de radiação acústica

Levitação Acústica

Andrade et al., IEEE Trans. Ultrason. Ferroelect. Freq. Control 57(2), pp. 469-479, 2010

Posição da esfera em função do tempo

Pérez et al., J. Appl. Phys. 116(8), art. no. 184903, 2014

Manipulação de partículas

Sistema de Levitação paramanipulação de partículas

Simulações: COMSOL - Módulo Acústico

f = 37.9 kHz

Simulações: COMSOL - Módulo Acústico

u0

u1p1

( )θjppp −+= exp21

( )θj−+= exp21 uuu

⋅−=

232 2

23 uuf

ff c

pRU

ρρ

π

Potencial :

Simulações: COMSOL - Módulo Acústico

u0

u2p2

( )θjppp −+= exp21

( )θj−+= exp21 uuu

⋅−=

232 2

23 uuf

ff c

pRU

ρρ

π

Potencial :

Experimento

Comparação entre Simulação e Experimento

θ = -180o θ = +30o θ = +180o

Comparação entre Simulação e Experimento

Comparação entre Simulação e Experimento

Sumário

• Princípio de funcionamento de um levitador acústico

• Sistema de levitação para manipulação de partículas

• Simulações - COMSOL

• Comparação entre resultados numéricos e experimentais

Agradecimentos

Obrigado pela atenção !