Simulation based experiments of traveling-plane-wave-actuator micropumps and microswimmers

Abstract

Doğadan esinlenerek, sonlu eleman hesabına dayalı akışkanlar dinamiği modelleriyardımı ile ağdalı ortamlarda zamanla tersinemez-uzatılamaz dalga yayılımı ile eylenenmikro-itici yöntemi sunulmuştur. Öncelikle, sıvı ile dolu bir mikrokanal içerisindeçapalanmış uzatılamaz ince filmden oluşan iki ve üç boyutlu mikropompa modellerianaliz edilerek parametrik tasarım değişkenlerinin sıvı akışı, hidrolik güç tüketimi veverim üzerindeki etkisi grafiksel olarak elde edilmiştir. Tüm modeler, sırasıylasıkıştırılamaz-izotermal Stokes ve sıkıştırılamaz-izotermal Navier Stokes denklemleri,kütlenin korunumu yasası ve biçimi bozulan örgü yöntemi (ALE) kullanılarakçözülmüştür.Sonraki adımda, tamamen ağdalı akışkan içerisine batırılmış ve yürüyen-düzlemdalgahareketi ile eylenen kuyruk yardımı ile hareket eden üç boyutlu mikroyüzücütasarımının parametrik tasarım değişkenlerinin itici hızı, hidrolik güç tüketimi veyüzücü verimi üzerinki etkisi sıkıştırlamaz-izotermal Navier-Stokes, kütlenin korunumuyasası ve biçimi bozulan örgü yapısı (ALE) yardımı ile grafiksel olarak elde edilmiştir.Mikroyüzücünün hareketleri, etrafını saran ağdalı akışın mikroyüzücü yüzeyineuyguladığı kuvvetlerden yararlanılarak elde edilmiştir. Bu etkileşimden net itme kuvvetielde edilebileceği gözlemlenmiştir.Sayısal sonuçlar başlıca Taylor (1951), Katz (1974) ve Childress (1981) tarafındaniki boyutlu varsayımlar üzerinde yapılmış analitik çalışmaların asemptotic sonuçları ilekarşılaştırılmıştır. Üçüncü boyutun varlığının etkisi yüzünden dalga boyu grafiklerindegözlemlenen sapma dışında, sayısal sonuçlarla asemptotic sonuçlar arasında güçlü birtutarlılık olduğu görülmüştür.Anahtar Kelimeler: Mikropompa, mikroitici, mikroyüzücü, yürüyen-düzlem-dalga,uzatılamaz film, hidrolik güç, verim

A biologically-inspired micropropulsion method is presented by constructing aseries of finite element computational fluid dynamics models for time irreversibleinextensible wave propagation method in viscous medium. First, micropump modelsencompassing fully submerged and anchored waving inextensible film mounted inside amicrochannel are analyzed to attain flow, hydraulic power consumption and efficiencyplots with respect to parameterized design variables via both 2D and 3D models. Eachmodel is governed by incompressible isothermal Stokes and Navier-Stokes equationsrespectively and conservation of mass, integrated with deforming mesh employingarbitrary Lagrangian Eulerian method.Next, propulsion velocity, power consumption and efficiency plots of a fullysubmerged free microswimmer utilizing a wave propagating tail inside a viscousenvironment is analyzed with respect to parameterized design variables via 3D modelsgoverned by incompressible isothermal Navier-Stokes equations and conservation ofmass, integrated with deforming mesh employing arbitrary Lagrangian EulerianMethod. All resultant swimmer motions are modeled directly incorporating with stressinteractions between surrounding viscous fluid and swimmer surfaces. It isdemonstrated that net forward thrust can be harvested from this interaction.Numerical results are compared with the asymptotical results to analytical studiesmainly carried out by Sir Taylor (1951), Katz (1974) and Childress (1981) based onmainly 2D assumptions. It is observed that there exists a strong agreement betweenearlier results and numerical results besides from wavelength parameter whichillustrates slight deviation in power consumption characteristics due to the effectsintroduced by the existence of third dimension.