КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

 

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер 23-22-00056

НазваниеИсследование термоакустических эффектов при захвате частиц ультразвуковым полем в воздухе

РуководительСуханов Дмитрий Яковлевич, Доктор физико-математических наук

Организация финансирования, регион федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский Томский государственный университет", Томская обл

Период выполнения при поддержке РНФ 2023 г. - 2024 г. 

Конкурс№78 - Конкурс 2022 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований малыми отдельными научными группами».

Область знания, основной код классификатора 02 - Физика и науки о космосе, 02-404 - Физическая акустика

Ключевые словаАкустическая левитация, аддитивное производство, термоакустика

Код ГРНТИ29.37.17

 

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Термоакустические эффекты находят применение при разработке систем охлаждения, генерирования акустических полей и хорошо исследованы в замкнутых резонансных системах. В настоящее время становятся актуальны задачи, где термоакустические эффекты проявляются в незамкнутом пространстве, например, в процессе трёхмерной печати. Ранее коллективом был разработан метод трёхмерной печати на основе захвата частиц ультразвуковым полем. Преимуществом данного метода является высокая скорость печати, возможность формировать пористые структуры, возможность масштабировать объём печати. Метод ультразвуковой трёхмерной печати основан на распылении частиц пластика в воздухе, при этом объём воздуха облучается ультразвуковыми волнами, обеспечивающими перегруппировку частиц в заданном порядке. После осаждения частиц в заданном порядке на подложке под действием ультразвукового поля, включаются инфракрасные нагреватели и оплавляют слой частиц. Далее операция повторяется и на подложке послойно формируется трёхмерный объект. Ранее проведённые исследования показали, что при ультразвуковой трёхмерной печати возникают сложные эффекты взаимодействия частиц, инфракрасного излучения и ультразвукового поля. При воздействии инфракрасного излучения на частицы и формируемый объект происходит нагревание воздуха, возникают конвекционные потоки, изменение плотности воздуха и скорости распространения волн. В условиях акустической левитации или воздействии сфокусированной ультразвуковой волны на частицы происходит их охлаждение, что препятствует оплавлению частиц инфракрасным излучением. Данный термоакустический эффект требует дополнительного исследования. Охлаждение частиц ультразвуковым полем применимо для печати навесных частей. Воздействие ультразвуковым полем с определённым пространственным распределением на облучаемые инфракрасным излучением частицы может предотвратить их оплавление в заданных участках, и, таким образом, создавать отделяемые поддерживающие конструкции. Нагревание частицы инфракрасным излучением приводит к нагреванию окружающего её воздуха. Если движение воздуха вокруг частицы несущественно, то он быстро нагревается, отвод тепла замедляется, и частица оплавляется. При воздействии ультразвуковых волн на частицу и окружающий её воздух, скорее всего, происходит его локальное смещение и перемешивание с окружающим холодным воздухом, за счёт чего частица быстро охлаждается, что препятствует её оплавлению. В ходе работы предлагается исследовать взаимодействие частиц, инфракрасного излучения и ультразвукового поля для определения траекторий движения частиц в акустическом поле, температуры частиц, плотности и температуры окружающего воздуха, конвекционных потоков. Рассматриваются аналитические, численные и экспериментальные методы исследования.

Ожидаемые результаты
Современные исследования в области акустического захвата и акустической левитации сосредоточены на совершенствование способов управления движением частиц, их сортировки, технологиях ультразвуковых пинцетов. Термоакустическим эффектам в условиях левитации частиц уделяется недостаточно внимания. Термоакустические процессы, главным образом, исследуются в контексте разработки систем охлаждения и отвода тепла. Всестороннего исследования термоакустических эффектов в условиях левитации нагреваемых в воздухе частиц не проводилось. Целью предлагаемой работы является исследование и выявление основных процессов термоакустики и тепломассообмена в условиях акустической левитации частиц под действием инфракрасного излучения. Предлагается рассмотреть как узкополосные, так и широкополосные ультразвуковые волны в воздухе. Изучение данных процессов необходимо для совершенствования метода трёхмерной печати (аддитивного производства) на основе управления частицами в ультразвуковом поле. Кроме того, значимость ожидаемых результатов определяется их применимостью для создания систем дистанционного охлаждения или теплоотвода с помощью акустического поля, обеспечивающего перемешивание окружающего нагретый объект горячего воздуха и холодного фонового воздуха.

 

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Аннотация результатов, полученных в 2023 году
В результате реализации первого этапа проекта были получены приближённые аналитические решения для полей температур, плотности, скорости звука в воздухе с учётом влияния нагретой частицы на основе решения волнового уравнения и уравнения теплопроводности. Сила, действующая на частицы аналитически оценивается на основе потенциала Горькова с учётом скорости звука и плотности воздуха. При разработке методов численного моделирования было рассмотрено два подхода к представлению среды. Первый подход основан на представлении среды как сплошной, а второй подход основан на представлении среды в виде множества макромолекул. В первом случае в качестве метода численного моделирования использовался метод конечных разностей во временной области. Был разработан алгоритм численного решения уравнений непрерывности, движения сплошной среды и теплопроводности для вычисления акустических полей, полей температур и пространственного распределения плотности воздуха с учётом влияния нагреваемой частицы. Во втором подходе рассматриваемая среда представляется в виде множества макромолекул упорядоченных в некотором объеме. Каждая макромолекула обладает собственной скоростью и силой взаимодействия с соседними макромолекулами. Взаимодействие между макромолекулами описывается посредством потенциала Леннарда — Джонса. Расчет скорости и координат макромолекул осуществляется путем численного интегрирования ускорения частиц вычисляемого по второму закону Ньютона как отношение силы действующей на макромолекулу к ее массе. Такой подход является наиболее универсальным и позволяет автоматически учитывать широкий диапазон физических явлений. Для реализации предлагаемых методов численного моделирования использовались технологии параллельного программирования на многоядерных процессорах с применением технологии OpenMP. Разработанные методы были применены к расчету траектории движения частицы в вихревом поле. Результат моделирования движения частицы показал, что она движется по заданной траектории и осаждается в определённую точку. Ультразвуковое поле действует как направляющая структура. Полученные результаты были представлены на международной научно-практической конференции. По результатам реализации проекта было опубликовано 2 статьи: одна статья входит в библиографическую базу данных SCOPUS и одна статья в изданиях, индексируемых в библиографической базе данных RSCI.

 

Публикации

1. Суханов Д.Я., Кузовова А.Е. Росляков С.Н., Емельянов Ф.С. Controlled deposition of particles in the vortex ultrasonic field of a hemispherical source array Russian Physics Journal, Vol. 66, No. 5, 2023, P. 585-590 (год публикации - 2023) https://doi.org/10.1007/s11182-023-02979-0

2. Суханов Д.Я., Росляков С.Н., Кузовова А.Е., Емельянов Ф.С. Захват и перемещение неоднородностей с поверхности ультразвуковым полем в воздухе Известия ВУЗов. Физика, 7, 66, 110-116 (год публикации - 2023) https://doi.org/10.17223/00213411/66/7/13

3. - Термоакустический эффект ультразвука найдет применение в новом методе 3D-печати Новости Томского государственного университета, - (год публикации - )