Computational and microhydrodynamic modeling and experiments with bio-inspired swimming robots in cylindrical channels
Silindirik kanallar içerisinde yüzen biyolojiden-esinlenmiş robotların hesaplamalı ve mikrohidrodinamik modellemesi ve deneyleri
- Tez No: 348727
- Danışmanlar: DOÇ. DR. SERHAT YEŞİLYURT
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Makine Mühendisliği, Mekatronik Mühendisliği, Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve Kontrol, Mechanical Engineering, Mechatronics Engineering, Computer Engineering and Computer Science and Control
- Anahtar Kelimeler: Akışkan-katı etkileşimi, Akışkanlar mekaniği, Hidrodinamik kuvvetler, Kinematik, Mikroorganizmalar, Robotik, Fluid-solid interaction, Fluid mechanics, Hydrodynamic forces, Kinematic, Microorganisms, Robotics
- Yıl: 2012
- Dil: İngilizce
- Üniversite: Sabancı Üniversitesi
- Enstitü: Mühendislik ve Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Mekatronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Mekatronik Mühendisliği Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: Belirtilmemiş.
Özet
Yüzebilen mikro robotik sistemler, gelecekteki minimal invaziv cerrahi uygulamalar için alternatif oluşturmaktadır. Mikro boyutlardaki robotların canlı dokular içerisindeki sıvı dolu boşluk ve kanallarda verimli bir şekilde hareket edebilmesi için bakteri hücreleri gibi doğal mikro yüzücüleri taklit etmeleri gerekmektedir. Buna bağlı olarak, bakteri hücrelerinin mikro boyutlarda hidrodinamik modellemelerinin yapılması kontrol ve optimizasyon çalışmaları açısından önem taşımaktadır. Bu çalışmada, bakterileri taklit eden santimetre boyutundaki robotik prototiplerin düzgün silindirik kanallar içerisindeki yüzme hareketleri incelenmiştir. Söz konusu prototipler taşıdıkları batarya ve kontrol devreleri ile döner sarmal kuyruklarını tahrik ederek kendilerini yüksek viskoziteli sıvılar içerisinde sevk etmektedirler. Deneylerde, yüzme hızı ile değişken kuyruk geometrisi, değişken kanal çapı ve dikey/yatay konumlarda kanal duvarlarına yakınlık ilişkileri incelenmiştir. Daha sonra, hesaplamalı akışkanlar mekaniği metoduna dayanan benzeşim çalışmaları yapılmıştır. Benzeşim çalışmalarında, dar ve geniş kanallar içerisinde hareket eden bu yüzücü robotlar modellenmiş, ve deney sonuçları ile model doğrulamaları yapılmıştır. Doğrulanmış modeller ile sınırlandırılmamış yüksek viskoziteli sıvılar içerisinde duvar etkilerinden bağımsız olarak yüzen bakteri tipi robotların gövde ve kuyrukları arasındaki hidrodinamik etkileşim incelenmiştir. Ayrıca, değişken kanal çapının ve de kuyruk geometrisinin yüzme hızı üzerindeki etkileri de incelenmiştir. Son olarak, direnç-kuvveti-teorisi tabanlı, zamana-bağlı altı-serbestlik-dereceli bir mikrohidrodinamik model geliştirilmiştir. Bu modelde, viskoz kuvvetler göz önüne alınarak tüm katı-cisim ve akışkan ivmeleri sıfır kabul edilmiştir. Robotun yüzme hızları sıfır-kuvvetle-yüzme kısıtlaması kullanılarak birinci dereceden bir denklemler sistemi ile hesaplanmaktadır. Mikrohidrodinamik model, dikey/yatay kanal deneyleri ve hesaplamalı akışkanlar mekaniği benzeşim sonuçları ile ayrı ayrı doğrulanmıştır. Doğrulanan mikrohidrodinamik model, örnek model-tabanlı kontrol çalışmalarında ve enerji verimliliği ile yüksek hız için gerekli sarmal kuyruk taslaklarının bulunmasında kullanılmıştır.
Özet (Çeviri)
Modeling and control of swimming untethered micro robots are important for future therapeutic medical applications. Bio-inspired propulsion methods emerge as realistic substitutes for hydrodynamic thrust generation in micro realm. Accurate modeling, power supply, and propulsion-means directly affect the mobility and maneuverability of swimming micro robots with helical or planar wave propagation.Flow field around a bio-inspired micro swimmer comprised of a spherical body and a rotating helical tail is studied with time-dependent three-dimensional computational fluid dynamics (CFD) model. Analytical hydrodynamic studies on the bodies of well known geometries submerged in viscous flows reported in literature do not address the effect of hydrodynamic interactions between the body and the tail of the robot in unbounded viscous fluids. Hydrodynamic interactions are explained qualitatively and quantitatively with the help of CFD-model.A cm-scale powered bio-inspired swimmer robot with helical tails is manufactured including a payload and a replaceable rigid helical tail. The payload includes on-board power supply and remote-control circuitry. A number of helical tails with parameterized wave geometry are used. Swimmer performed in cylindrical channels of different diameters while fully submerged in an oil-bath of high viscosity.A real-time six degrees-of-freedom microhydrodynamic model is developed and implemented to predict the rigid-body motion of the swimming robots with helical and traveling-plane-wave tails. Results of microhydrodynamic models with alternative resistance coefficients are compared against CFD simulations and in-channel swimming experiments with different tails. Validated microhydrodynamic model is further employed to study efficient geometric designs with different wave propagation methods within a predefined design space.
Benzer Tezler
- Katı oksit yakıt hücresi (KOYH) ejektörü akış kanalının sayısal yöntemlerle geliştirilmesi
Developoment of solid oxide fuel cell (SOFC) ejector flow channel by numerical methods
YASİN AKALAN
Yüksek Lisans
Türkçe
2023
EnerjiSakarya ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ HASAN KÜÇÜK
- Yüzey topografyasının kaymalı yatak performansına etkisinin sayısal olarak incelenmesi
Numerical investigation of the effect of surface texture on the performance of journal bearing
EMRE HAS
Yüksek Lisans
Türkçe
2020
Makine Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ ZEYNEP PARLAR
- Low reynolds number swimming of helical structures and rigid spheres
Sarmal yapılar ve katı kürelerin düşük reynolds sayılı ortamlarda yüzmesi
EBRU DEMİR
Doktora
İngilizce
2018
Mekatronik MühendisliğiSabancı ÜniversitesiMekatronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. SERHAT YEŞİLYURT
- Computational analyses of die-embedded microchannels for high electron mobility transistors considering thermal, hydrodynamic and structural behavior
Yüksek elektron mobiliteli transistorlara uygulanmış gömülü mikrokanal yapılarının ısıl, hidrodinamik ve yapısal davranışlarının hesaplamalı analizleri
ORÇUN YILDIZ
Yüksek Lisans
İngilizce
2023
Makine Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ ALAEDDİN BURAK İREZ
PROF. DR. LÜTFULLAH KUDDUSİ
- Effects of geometric parameters and flow on microswimmer motion in circular channels
Silindirik kanallarda mikroyüzücü hareketine akışın ve geometrik parametrelerin etkisi
ALPEREN ACEMOĞLU
Yüksek Lisans
İngilizce
2014
Mekatronik MühendisliğiSabancı ÜniversitesiMekatronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. SERHAT YEŞİLYURT