Μαγνητική οδήγηση σωματιδίων σε νευτωνικά και μη νευτωνικά ρευστά
Authors: Καρβέλας Ευάγγελος 
Published: September 2021

Σκοπός της παρούσας έρευνας είναι η οδήγηση μίκρο και νάνο σωματιδίων σε συγκεκριμένες περιοχές με την χρήση του μαγνητικού πεδίου. Η μοντελοποίηση πραγματοποιήθηκε με τη χρήση μεθόδων της υπολογιστικής ρευστοδυναμικής (Computational Fluid Dynamics) με βασικά χαρακτηριστικά τις μη-μόνιμες και τρισδιάστατες προσομοιώσεις νευτωνικών και μη-νευτωνικών ροών σε αρτηρίες με διακλαδώσεις. Το πεδίο ροής προσδιορίστηκε από τη λύση της εξίσωσης Navier-Stokes όπου το μαγνητικό πεδίο μοντελοποιείται μέσω της δύναμης Lorentz. Για τη κίνηση των νανοσωματιδίων μέσα στη ροή χρησιμοποιήθηκαν διακριτές αριθμητικές μέθοδοι τύπου Lagrange. Για την επίλυση των εξισώσεων χρησιμοποιήθηκε το λογισμικό ανοικτού κώδικα OpenFOAM. Η οδήγηση των νανοσωματιδίων γίνεται με την επιλογή της κατάλληλης βαθμίδας του μαγνητικού πεδίου που είναι σε κάθε χρονική στιγμή η καταλληλότερη για να τα οδηγήσει προς την επιθυμητή πλευρά. Για τον σκοπό αυτό, χρησιμοποιείται η μέθοδος βελτιστοποίησης Covariance Matrix Adaptation Evolution Strategy (CMAES).Για την μοντελοποίηση του μη-νευτωνικού ρευστού χρησιμοποιήθηκε το μοντέλο Carreau του οποίου η σωστή λειτουργία εξακριβώθηκε με την σύγκριση των υπολογιστικών με πειραματικά αποτελέσματα. Αναπτύχθηκε και εξακριβώθηκε η σωστή λειτουργία του μοντέλου κίνησης και αλληλεπίδρασης των σωματιδίων με το μαγνητικό πεδίο μέσω σύγκρισης των υπολογιστικών αποτελεσμάτων με δημοσιευμένες πειραματικές μετρήσεις. Η αλληλεπίδραση των σωματιδίων και ο τρόπος συσσωμάτωσης τους εξακριβώθηκε μέσα από σειρές προσομοιώσεων υπό διαφορετικά μόνιμα και χωρικά μεταβαλλόμενα μαγνητικά πεδία σε σωματίδια διαφορετικού μεγέθους αλλά και υλικού κατασκευής. Αναλύθηκε η επίδραση της διαμέτρου των σωματιδίων στον σχηματισμό συσσωματωμάτων. Επίσης έγινε προσομοίωση διαφορετικών κατανομών διαμέτρου των σωματιδίων με σκοπό την εξακρίβωση της επίδρασης του μαγνητικού πεδίου στην οδήγηση των σωματιδίων. Διαφορετικές βαθμίδες του μαγνητικού πεδίου σε συνδυασμό με διαφορετικές εντάσεις του μόνιμου μαγνητικού πεδίου προσομοιώθηκαν σε μία προσπάθεια εύρεσης της επίδρασης της βαθμίδας του μαγνητικού πεδίου στην κίνηση των (μίκρο και νάνο) σωματιδίων. Η επίδραση του νευτωνικού και μη-νευτωνικού ρευστού στην κίνηση και στην αλληλεπίδραση των σωματιδίων εξακριβώθηκε μέσο της σύγκρισης των υπολογιστικών αποτελεσμάτων. Σκοπός της οδήγησης των σωματιδίων είναι η μεγιστοποίηση του ποσοστού των σωματιδίων που μπορούν να οδηγηθούν σε περιοχές-στόχους με τον έλεγχο και την κατάλληλη χρονική μεταβολή της μαγνητικής βαθμίδας για την οδήγηση μίκρο και νάνο σωματιδίων τα οποία κινούνται μέσα σε διάλυμα σε γεωμετρίες με διακλαδώσεις. Για την πιστοποίηση των δυνατοτήτων του μοντέλου αλλά και για την εξακρίβωση των παραμέτρων που επηρεάζουν την οδήγηση των σωματιδίων σε περιοχές έγιναν προσομοιώσεις σε γεωμετρίες με διαφορετικές διαμέτρους οι οποίες είχαν διακλαδώσεις. Εξετάστηκε η επίδραση της έντασης του μαγνητικού πεδίου στην οδήγηση των σωματιδίων καθώς επίσης και του αριθμού των σωματιδίων τα οποία κάθε φορά προσομοιώνονται. Επιπλέον αναλύθηκε η επίδραση του αριθμού των αλλαγών και του εύρους έντασης της βαθμίδας του μαγνητικού πεδίου κατά την διαδικασία της οδήγησης. Τέλος, προσδιορίστηκε η επίδραση της ταχύτητας του ρευστού καθώς επίσης και ο ρόλος της διαμέτρου των αγωγών στην οδήγηση των σωματιδίων.