7177

هيدروديناميك حاكم بر موجودات زنده ي ميكروسكوپي شناگر و شناگرهاي مصنوعي در سيال نيوتوني با عدد رينولدز پايين

كارشناسي

مهندسي مكانيك

1399

منصور عليزاده

مجيد رجبي

1400/01/06

مهندسي مكانيك

Hydrodynamics of microscopic swimmers and artificial swimmers in Newtonian fluid with low Reynolds number

درون سيال با عدد رينولدز معمولي شناگر لازم است نيروي اينرسي ايجاد كند و به همين منظور حركت رفت و برگشتي باعث حركت رو به جلوي شناگر مي شود. اما درعدد رينولدز پايين شرايط كاملا متفاوت است; در عدد رينولدز پايين عدم وجود ترم اينرسي منجر به بازگشت پذيري سينماتيكي مي شود در نتيجه واژگوني نيروها هيچ گونه تغييري در طبيعت سيال بوجود نياورده و باعث مي شود كه سازه در يك مد متقابل حركت كرده و حركت جلوروندگي وجود نخواهد داشت. در اين گونه محيط ها با لزجت بالا لازم است كه شرايط تئوري اسكالپ ارضاء شود. براي اين كه به حركت كنترل شده اي از يك شناگر ساخته شده توسط بشر دست يافت، بايد دو شرط زير برآورده گردد. مورد اول اين كه انرژي بايد تزريق و به تغيير شكل مكانيكي شناگر مورد نظر انتقال داده شود. مورد دوم اين است كه توالي تغيير شكل ها بايد به صورت چرخه اي باشد و تقارن زماني را بشكند. لازمۀ دوم به اين دليل است كه ديناميك سيال در مقياس ميكرو متر به وسيلۀ عبارت هاي لزجت كنترل مي گردد، نه عبارت هاي مربوط به اينرسي. اين موضوع بيان كنندۀ چنين مفهومي است كه يك جابه جايي داخلي برگشت پذير مطلق، منجر به هيچ حركت خالصي نمي شود كه بيان كنندۀ همان تئوري اسكالوپ است. در اين پژوهش هدف آن است كه با الگوگيري از نمونه هاي موجود در طبيعت همچون ميكروارگانيسم ها، به بررسي حركت شناگرهاي مصنوعي خودتحريك در محيط هاي لزج در ابعاد كوچكتر از يك هزارم متر و كوچكتر از آن كه اصطلاحا ميكروشناگر ناميده مي شود پرداخته شود و يك مكانيزم مدل پيشنهاد شده است كه اين مكانيزم داراي 3 ديسك فيكس شده به صورت عمود روي سه بازو است. اين بازوها طول هاي مساوي داشته و بازوها خود با زاويه ي 120 درجه نسبت به هم قرار گرفته اند و بازوها نوسان هايي در راستاي شعاعي و زاويه اي دارند. آنچه انتظار مي رود آن است كه اختلاف فاز اين ديسك ها باعث عدم تقارن سازه شده و اين عدم تقارن حركت نسبت به زمان خود شرط لازم براي حركت شناگر در محيط هاي با عدد رينولدز پايين است. سينماتيك و ديناميك حركت هاي انتقالي و دوراني شناگر فوق مورد بررسي قرار گرفته است و معادلات تعادل نيرو و ترك براي ديسك ها توسط حل تحليلي مورد بررسي قرار گرفته است. در انتها، نمودارهاي موقعيت، سرعت و مسير حركت ميكروشناگر كه باتوجه به شرايط كنترلي متفاوت بدست آمده اند، مورد ارزيابي قرار ميگيرند كه بواسطه ي آن، روند كلي تغييرات به طور قابل ملاحظه اي قابل پيش بيني است.

عدد رينولدز پايين، تئوري اسكالپ، تقارن زماني، ميكروارگانيسم ها، ميكروشناگر