Effects of geometric parameters and flow on microswimmer motion in circular channels
Silindirik kanallarda mikroyüzücü hareketine akışın ve geometrik parametrelerin etkisi
- Tez No: 392253
- Danışmanlar: DOÇ. DR. SERHAT YEŞİLYURT
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Mekatronik Mühendisliği, Mechatronics Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2014
- Dil: İngilizce
- Üniversite: Sabancı Üniversitesi
- Enstitü: Mühendislik ve Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Mekatronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: 85
Özet
Mikroyüzücüler, hedeflenen organlara sınırlı yan etkilerle ilaç iletilmesi, canlı dokulara en az zararla cerrahi ameliyatların gerçekletirilmesi, kapalı damarların açılması, biyolojik dokuların teşhis amaçlı vücut içinden toplanması gibi biyomedikal uygulamalarda pek çok avantaja sahiptir. Gelecekteki biyomedikal uygulamalarda, yüzücülerin vücut içindeki pozisyonlarının kontrolü için güvenilir navigasyon teknikleri geliştirilmelidir. Manyetik olarak tahrik edilen yüzücülerin kan damarlarında yörüngelerini tahmin edebilmek için kanal duvarlarının etkileri iyi anlaşılmalıdır. Bu tez kapsamında, manyetik gövdeye ve helisel kuyruğa sahip gliserol ile doldurulmuş silindirik kanallarda dışarıdan manyetik alanla tahrik edilen mikroyüzücüler için sayısal ve deneysel çalışmalar yapılmıştır. Biyolojik mikroorganizma hareketlerini taklit eden yapay mikroyüzücüler için helisel kuyruklar 3 boyutlu yazıcılar ile üretilip üzerine manyetik gövde yerleştirilmiştir. Üretilen yapay yüzücüler, 3 çift elektromanyetik bobin ile tahrik edilmiştir. Yüzücünün lineer ve açısal hızlarını elde etmek için ve yüzücünün hareketini analiz etmek için Stokes denklemlerini çözen hesaplamalı bir model geliştirilmiştir. Farklı geometrik parametreler ve farklı akış hızları için deneyel ve simulasyonlar yapılmıştır. Elde edilen simulasyon sonuçları, deneysel sonuçları doğrulamaktadır. Ayrıca helisel kuyruğun dalga boyu, genliği ve uzunluğu gibi geometrik parametrelerin ve yüzme yönünün etkileri de deneysel ve sayısal çalışmalarla açıklanmıştır. Bunlara ek olarak, tek kuyruklu mikroorganizmaların düşük Reynolds sayılarında hareketleri hesaplamalı akışkanlar dinamiği ile modellenmiştir. Stokes denklemlerini çözen bu model literatürde yayınlanan deneysel çalışmalarla doğrulanmıştır. Kuyruk geometrisinin verimlilik ve lineer - açısal hızlar üzerindeki etkileri açıklanmıştır. Optimal mikroorganizma geometrisi ve simulasyonlardan elde edilen hızlar gösterilmiştir. Mikroorganizma yörüngeleri üzerindeki yatay ve açısal hızlara olan hidrodinamik etkileri vurgulamak için Brownian hareketi ve elektrostatik etkileşimler çalışmaya dahil edilmemiştir. İnce kuyruklu mikroorganizmalar için, kanal çapı azaltıldıkça, yüzme hızı ve verimliliği de azalmaktadır. Bununla beraber kalın kuyruklu mikroorganizmalar için yüzme hızını ve verimliliği maksimum yapan optimal bir kanal çapı vardır. Mikroorganizmanın yan yönlerdeki hareketi kanal çapı azaldıkça kısıtlanmaktadır. Elde edilen sonuçlar mikrokanallar ve kılcal tüpler içindeki bakteri hareketlerinin anlaşılmasına önemli katkılar yapmaktadır.
Özet (Çeviri)
Micro swimming robots offer many advantages in biomedical applications, such as delivering potent drugs to specific locations in targeted tissues and organs with limited side effects, conducting surgical operations with minimal damage to healthy tissues, treatment of clogged arteries, and collecting biological samples for diagnostic purposes. Reliable navigation techniques for microswimmers need to be developed for navigation, positioning and localization of robots inside the human body in future biomedical applications. In order to develop simple models to estimate trajectories of magnetically actuated microswimmers blood vessels and other conduits, effects of the channel wall must be understood well. In this thesis, experimental and numerical model results are presented on swimming of microswimmers with a magnetic head and a helical tail in laminar flows inside circular channels filled with glycerol. Designed to mimic the swimming behavior of biological organisms at low Reynolds number flows, the microswimmers are manufactured utilizing a 3D printer and a small magnet and consist of a helical tail and a body that encapsulates the magnet. The swimming motion results from the synchronized rotation of the artificial swimmer with the rotating magnetic field induced by three electromagnetic-coil pairs. In order to obtain linear and angular velocities and to analyze the motion of the microswimmer, a computational model is developed to obtain solutions of quasi-steady Stokes equations, which govern the swimming of the microswimmers and the flow inside the channel. Experiments and numerical simulations are carried out for a number of cases with different geometric parameters and flow rates in the channel. Numerical simulation results agree well with experimentally measured velocities of the swimmer validating the experimental results. It is also presented a discussion on the influence of geometric parameters of the tail, such as wavelength, amplitude and length, and the direction of rotation of the swimmer on its trajectory based on the observed behavior in experiments and numerical solutions. Moreover, a computational fluid dynamics (CFD) model for swimming of microorganisms with a single helical flagellum in circular channels is presented. The CFD model is developed to obtain numerical solutions of Stokes equations in three dimensions, validated with experiments reported in literature and used to analyze the effects of geometric parameters, such as the helical radius, wavelength, radii of the channel and the tail and the tail length on forward and lateral swimming velocities, rotation rates and the efficiency of the swimmer. Optimal shapes for the speed and the power efficiency are reported. Effects of Brownian motion and electrostatic interactions are excluded to emphasize the role of hydrodynamic forces on lateral velocities and rotations on the trajectory of swimmers. For thin flagella, as the channel radius decreases, forward velocity and the power efficiency of the swimmer decreases as well; however, for thick flagella, there is an optimal radius of the channel that maximizes the velocity and the efficiency depending on other geometric parameters. Lateral motion of the swimmer is suppressed as the channel is constricted below a critical radius, for which the magnitude of the lateral velocity reaches a maximum. Results contribute significantly to the understanding of the swimming of bacteria in micro channels and capillary tubes.
Benzer Tezler
- Yeni tip levhalı ısı değiştirgecinde nanoakışkanın ısı transferine etkisi
The effect of nanofluid on heat transfer in a new type plate heat exchanger
GÖKÇE PEKER
Doktora
Türkçe
2021
Makine MühendisliğiFırat ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. CENGİZ YILDIZ
- Electromechanical analysis of linear compressor for household refrigerators
Ev tipi buzdolabı için lineer kompressörün elektromekanik analizi
ADNAN HASSAN
Doktora
İngilizce
2017
Makine MühendisliğiKoç ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. İSMAİL LAZOĞLU
- Kare kesitli yay yerleştirilen boruda ısı transferi ve akışın sayısal olarak incelenmesi
Numerical investigation of heat transfer and flow in a pipe with square cross section spring insert
MEHMET FURKAN KORKMAZ
Yüksek Lisans
Türkçe
2023
Makine MühendisliğiGazi ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ TAMER ÇALIŞIR
- Hücresel metalik yapılarda akış ve ısı transfer karakteristikleri
Flow and heat transfer characteristics of cellular metals
UBADE KEMERLİ
Doktora
Türkçe
2020
Makine MühendisliğiTrakya ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. KAMİL KAHVECİ
- Kaskad çarpan jet ile mini ısı alıcıların ısı ve akış karakteristiklerinin belirlenmesi
Determination of heat and flow characteristics of mini heat sinks with cascade impingement jet
CEMAL TOSUN
Doktora
Türkçe
2024
Makine MühendisliğiAtatürk ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. KENAN YAKUT