Zjawisko lewitacji akustycznej – badania wstępne

• Autorzy: Grzywnowicz Krzysztof , Remiorz Leszek

Warianty tytułu

EN

Acoustic levitation phenomenon – the preliminary research

• Języki publikacji: PL

Abstrakty

PL

Zjawiska lewitacji stanowią potencjalnie interesującą alternatywę dla wielu rozwiązań tradycyjnych i są przedmiotem szerokich badań. Istota lewitacji polega na równoważeniu siły grawitacji innym oddziaływaniem, np. magnetycznym. Jako przykład praktycznego wykorzystania tego fenomenu można wymienić chociażby łożyska wykorzystujące zjawisko lewitacji magnetycznej. Inną metodą uzyskania efektu lewitacji jest oddziaływanie falą akustyczną. Powstająca w tym przypadku siła nośna wywołana jest niezerową wypadkową sumarycznego ciśnienia wywołanego oddziaływaniem fali akustycznej na powierzchni lewitującego ciała. W pracy omówiono podstawy fizyczne zjawiska lewitacji akustycznej oraz potencjalny obszar jego zastosowań w energetyce. Przedstawiono również wstępne wyniki badań modelowych, obejmujących wyznaczenie wpływu podstawowych parametrów środowiskowych, w tym względnego położenia lewitującego ciała, częstotliwości fali akustycznej oraz wilgotności gazu roboczego, na wartości charakterystycznych parametrów zjawiska, w tym maksymalnej siły nośnej. Otrzymane wyniki wskazują na możliwość wykorzystania zjawiska przy zmiennych właściwościach fizycznych gazu roboczego, pod warunkiem ograniczenia masy lewitującej drobiny. Rezultaty wykazują jednocześnie graniczne wartości parametrów środowiskowych, które można uznać za akceptowalne w przypadku wykorzystania omawianego fenomenu. Zebrane dane uwidaczniają fundamentalną zależność siły nośnej od położenia lewitującej drobiny w kanale akustycznym oraz częstotliwości fali akustycznej. Wyniki badań prezentują także ograniczony wpływ wilgotności gazu na parametry zjawiska.

EN

Since the levitation phenomena are potentially interesting alternative to many traditional solutions, they state currently a subject of extensive research. The principle of the levitation consists in balancing the force of gravity with another interaction, e.g. magnetic. As an example of the use of this phenomenon, the bearings using the phenomenon of magnetic levitation might be mentioned. Another method of obtaining the effect of levitation is acoustic wave interaction. The lift force generated in this case is caused by a non-zero resultant vector of the total pressure caused by the impact of the acoustic wave on the surface of the levitating body. The paper discusses the physical foundations of the phenomenon of acoustic levitation and the potential area of its applications in energy. Preliminary results of model tests, including determination of the impact of basic environmental parameters, including the relative position of the levitating body, frequency of the wave and humidity of the gas, on the values of the characteristic parameters of the phenomenon, including the maximum lift are presented. The obtained results indicate the possibility of using the phenomenon with variable physical properties of the working gas, provided limited the mass of levitat-ing particles. Simultaneously, the results show the limit values of environmental parameters that can be considered acceptable when the phenomenon in question is used. The collected data show the fundamental dependence of the lift force on the position of levitating particles in the acoustic channel and the frequency of the acoustic wave. The test results also present a limited effect of gas humidity.

Słowa kluczowe

PL

lewitacja akustyczna; modelowanie numeryczne; obliczeniowa dynamika płynów

EN

acoustic levitation; numerical modelling; computational fluid dynamics; CFD

• Wydawca: KAPRINT
• Czasopismo: Rynek Energii
• Rocznik: 2020
• Tom: Nr 1
• Strony: 51--58
• Opis fizyczny: Bibliogr. 27 poz., rys., tab.

Twórcy

autor

Grzywnowicz Krzysztof

• Politechnika Śląska, Katedra Maszyn i Urządzeń Energetycznych

autor

Remiorz Leszek

• Politechnika Śląska, Katedra Maszyn i Urządzeń Energetycznych

Bibliografia

• [1] Wang L., Tian F.B.: Numerical study of flexible flapping wings with an immersed boundary method: Fluid–structure–acoustics interaction, Journal of Fluids and Structures 90 (2019): 396-409
• [2] Lim S.G., Kim T.J., Kim H.G.: CFD Simulation of Acoustic-Induced Vibration in Main Steam Line of APR1400, Transactions of the Korean Nuclear Society Spring Meeting, Jeju (Korea), 17-18.05.2012r
• [3] Citherlet S., Hand J.: Assessing energy, lighting, room acoustics, occupant comfort and environmental impacts performance of building with a single simulation program, Building and Environment 37 (2002): 845-856
• [4] Gissing J., Lichius T., Baltzer S., Hemkemeyer D., Eckstein L.: Predictive Energy Management of Range-Extended Electric Vehicles Considering Cabin Heat Demand and Acoustics, IFAC-PapersOnLine 48 (2015): 209-216
• [5] Smith T., Emerson B., Proscia W., Lieuwen T.: Role of induced axial acoustics in transverse acoustic flame response, Combustion and Flame 195 (2018): 140-150
• [6] Grzywnowicz K., Remiorz L.: Lewitacja akustyczna - badania wstępne, 58. Sympozjon "Modelowanie w Mechanice", Ustroń, 23-27.02.2019r
• [7] Ilssar D., Bucher I.: On the slow dynamics of near-field acoustically levitated objects under High excitation frequencies, Journal of Sound and Vibration 354 (2015): 154-166
• [8] Ilssar D., Bucher I., Flashner H.: Modeling and closed loop control of near-field acoustically levitated objects, Mechanical Systems and Signal Processing 85 (2017): 367-381
• [9] Vandaele V., Lambert P., Delchamber A.: Non-contact handling in microassembly: Acoustical levitation, Precision Engineering 29 (2005): 491-505
• [10] Thomas G.P.L., Andrade M.A.B., Adamowski J.C., Silva E.C.N.: Acoustic Levitation Transportation of Small Objects Using a Ring-Type Vibrator, Physics Procedia 70 (2015): 59-62
• [11] Yudong L., Chuangijn S., Pengfei H., Quangui P., Liuzhu W., Jiangqing W.: Containerless nucleation behavior and supercooling degree of acoustically levitated graphene oxide nanofluid PCM, International Journal of Refrigeration 60 (2015): 70-80
• [12] Yudong L., Yongkun G., Jiangqing W., Shichao G., Chuangijn S., Quangui P.: Nucleation mechanism of nanofluid drops under acoustic levitation, Applied Thermal Engineering 130 (2018): 40-48
• [13] Qi H., Cheng Z., Cai D., Yin L., Wang Z., Wen D.: Experimental study on the improvement of surface integrity of tungsten steel using acoustic levitation polishing, Journal of Materials Processing Technology 259 (2018): 361-367
• [14] Kremer J., Bürk V., Pollak S., Kilzer A., Petermann M.: Viscosity of squalane under carbon dioxide pressure — Comparison of acoustic levitation with conventional methods, The Journal of Supercritical Fluids 141 (2018): 252-259
• [15] Zang D., Yu Y., Chen Z., Li X., Wu H., Geng X.: Acoustic levitation of liquid drops: Dynamics, manipulation and phase transitions, Advances in Colloid and Interface Science 243 (2017): 77-85
• [16] Morgan B.A., Xing Z., Cranston E.D., Thompson M.R.: Acoustic levitation as a screening method for excipient selection in the development of dry powder vaccines, International Journal of Pharmaceutics 563 (2019): 71-78
• [17] Wong D.L., Müller S.C., Idt A., Reinbeck A., Moritz H.U., Pauer W.: Optimization of coating processes of mini tablets with polyvinylpyrrolidone solutions in an acoustic levitator, Chemical Engineering and Processing - Process Intensification 137 (2019): 64-71
• [18] Fuhrmann A., Marshall J.S., Wu J.: Effect of acoustic levitation force on aerodynamic particle removal from a surface, Applied Acoustics 74 (2013): 535-543
• [19] Cochelin B., Herzog P., Mattei P. O.: Experimental evidence of energy pumping in acoustics, Comptes Rendus Mécanique 334 (2006): 639-644
• [20] Bellet R., Cochelin B., Côte R., Mattei P.O.: Enhancing the dynamic range of targeted energy transfer in acoustics using several nonlinear membrane absorbers, Journal of Sound and Vibration 331 (2012): 5657-5668
• [21] Resnick R., Halliday D.: Fizyka. Tom I, Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa 2001
• [22] Landau L., Lifszyc J.: Hydrodynamika, Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa 2009
• [23] Weyna S.: Rozpływ energii akustycznych źródeł rzeczywistych, Wydawnictwa Naukowo-Techniczne, Warszawa 2005
• [24] Anderson J.D.: Introduction to Flight, McGraw-Hill Higher Education, New York 2005
• [25] Hitt D.L, Prosperetti A.: Viscous forces on acoustically levitated gas bubbles, Nonlinear Analysis: Theory, Methods & Applications 63 (2005): e1517-e1527
• [26] Basu S., Saha A., Kumar R.: Criteria for thermally induced atomization and catastrophic breakup of acoustically levitated droplet, International Journal of Heat and Mass Transfer 59 (2013): 316-327
• [27] Brenn G., Deviprasath L.J., Durst F., Fink C.: Evaporation of acoustically levitated multi-component liquid droplets, International Journal of Heat and Mass Transfer 50 (2007): 5073-5086

Uwagi

Opracowanie rekordu ze środków MNiSW, umowa Nr 461252 w ramach programu "Społeczna odpowiedzialność nauki" - moduł: Popularyzacja nauki i promocja sportu (2020).