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Metadados | Descrição | Idioma |
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Autor(es): dc.contributor | Cunha, Francisco Ricardo da | - |
Autor(es): dc.creator | Irilan, Yves-Garnard | - |
Data de aceite: dc.date.accessioned | 2024-07-22T12:05:12Z | - |
Data de disponibilização: dc.date.available | 2024-07-22T12:05:12Z | - |
Data de envio: dc.date.issued | 2022-08-02 | - |
Data de envio: dc.date.issued | 2022-08-02 | - |
Data de envio: dc.date.issued | 2022-08-02 | - |
Data de envio: dc.date.issued | 2022-05-13 | - |
Fonte completa do material: dc.identifier | https://repositorio.unb.br/handle/10482/44382 | - |
Fonte: dc.identifier.uri | http://educapes.capes.gov.br/handle/capes/795672 | - |
Descrição: dc.description | Tese (doutorado) — Universidade de Brasília, Faculdade de Tecnologia, Departamento de Engenharia Mecânica, 2022. | - |
Descrição: dc.description | Este trabalho apresenta uma investigação sobre a locomoção de partículas e organismos em baixos números de Reynolds usando modelos matemáticos, numéricos e estudos experimentais. Primeiramente, estudamos o efeito da elasticidade do fluido na força propulsora e torque no corpo e velocidade de velocidade do nadador em termos de dois parâmetros físicos: número de Deborah (De) e número de Strouhal (Sh). Para tanto, são realizados alguns experimentos com microrganismos protótipos em movimento de escoamento rasteiro. Nos experimentos, um nadador macroscópico que se impulsiona imitando flagelos helicoidais é desenvolvido e testado. Três modelos de natação impulsionados por uma cauda helicoidal com diferentes comprimentos de onda são investigados e seus movimentos examinados para ambos os casos: quando o solvente ambiente é um fluido viscoso newtoniano puro e quando o fluido base é uma solução polimérica elástica. Além disso, também aplicamos a Slender Body Theory (SBT) e o método de Stokeslet regularizado (RSM) para calcular teoricamente a força e o torque, em função do número de Strouhal (Sh), produzidos pelo nadador helicoidal em movimento em um fluido newtoniano. Os resultados teóricos são comparados com dados experimentais e uma concordância muito boa é observada especialmente para valores mais altos de Sh dentro das barras de erro dos dados experimentais. No caso de um fluido de base não newtoniano, o problema de escoamento de um fluido elástico Oldroyd-B é resolvido numericamente usando um código computacional baseado no método dos elementos finitos (CFD). A velocidade propulsiva do nadador helicoidal é calculada em função do parâmetro elástico número de Deborah e também comparada com a observação experimental quando o fluido base não é newtoniano. É mostrado experimentalmente que a velocidade de natação aumenta à medida que o efeito elástico no fluido de base aumenta até um número de Deborah crítico O(1), quando a velocidade satura para um valor constante dentro das barras de erro experimentais. A anisotropia de velocidade medida experimentalmente pela razão da velocidade do nadador em duas direções diferentes é insensível ao efeito elástico nos fluidos de base. Completamos nossa discussão sobre o movimento de nadadores helicoidais em escoamento rastejante, apresentando uma comparação entre as previsões da velocidade da velocidade dadas pela simulação CFD usando um modelo Oldroyd–B para o fluido elástico de base e dados experimentais. A concordância entre os dois conjuntos de resultados é muito boa dentro das barras de erro experimentais para o parâmetro elástico variando de 0 a 2. Pode-se notar, entretanto, que enquanto os dados experimentais tendem a saturar em De maiores, os resultados das simulações parecem ter um aumento contínuo de acordo com o modelo constitutivo de usado para descrever o líquido elástico base. Em segundo lugar, estudamos as bactérias magnetotáticas que se tornaram foco nas pesquisas sobre mecânica dos fluidos com baixo número de Reynolds. Esses microorganismos podem nadar no sangue e possuem ímãs dentro deles. Portanto, a investigação do movimento em líquidos viscosos deste tipo de partículas ativas para o transporte de drogas na circulação sanguínea sob aplicação de um campo magnético ainda não é suficientemente conhecida. Realizamos simulações numéricas Langevin do movimento de cadeias magnéticas compostas por partículas rígidas esféricas polidispersas. A estrutura das cadeias representa um modelo bruto de uma bactéria magnetotática movendo-se em um líquido viscoso com baixo número de Reynolds e também sob a ação do movimento browniano, um campo magnético externo e sob influência de interações magnéticas dipolares. As equações governantes são feitas adimensionais e os parâmetros físicos para controlar o movimento do microrganismo são identificados. Enquanto as interações magnéticas dipolares entre as partículas são consideradas, as interações hidrodinâmicas viscosas são ignoradas nas presentes simulações. A configuração inicial da partícula magnética na simulação considera aquelas alinhadas como estrutura de cadeias com um número diferente de partículas magnéticas semelhante à estrutura de uma espinha de bactérias real que é formada por uma cadeia de cristais magnéticos. Examinamos a cinemática das bactérias magnéticas com diferentes números de partículas na cadeia. | - |
Descrição: dc.description | Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES). | - |
Descrição: dc.description | This work presents an investigation on the locomotion of particles and organisms at low Reynolds numbers using mathematical, numerical models as well as experimental studies. Firstly, we study the effect of fluid elasticity on the propulsive force and torque on the body and speed velocity of the swimmer in terms of two physical parameter: Deborah number (De) and Strouhal number (Sh). For this end, some experiments with prototype microorganisms in creeping flow motion are conducted. In the experiments a macroscopic swimmer which propels itself by mimicking helical flagella are developed and tested. Three swimming models propelled by a helical tail with different wavelengths are investigated and their motions examined for both case: when ambient solvent is a pure Newtonian viscous fluid and when the base fluid is an elastic polymeric solution. In addition, we also apply the Slender Body Theory (SBT) and the method of regularized Stokeslet (RSM) in order to calculate theoretically the force and torque, as function of the Strouhal number (Sh), produced by the helical swimmer moving in a Newtonian fluid. The theoretical results are compared with experimental data and a very good agreement is observed specially for higher values of Sh within the error bars of the experimental data. In the case of a non-Newtonian base fluid, the flow problem of an Oldroyd-B elastic fluid is solved numerically using a computational code based on a finite element method (CFD). The helical swimmer propulsive velocity is calculated in terms of the elastic parameter Deborah number and also compared with the experimental observation when the base fluid is non-Newtonian. It is shown experimentally that the swimming speed increases as the elastic effect in the base fluid increases until a critical Deborah number number O(1), when the velocity saturates for a constant value within the experimental error bars. The velocity anisotropy measured experimentally by the ratio of the swimmer speed in two different directions is insensitive to the elastic effect in the base fluids. We complete our discussion on the helical swimmers motion in creeping flow by presenting a comparison between predictions of the speed velocity given by CFD simulation using an Oldroyd–B model for the base elastic fluid and experimental data. The agreement between the two sets of results is very good within the experimental error bars for the elastic parameter varying from 0 to 2. It may be remarked, however, that while the experimental data tends to saturate at larger De, the simulations results seems to have a continuous increase according to the constitutive model of used to describe the base elastic liquid. Secondly, we study magnetotactic bacteria that have become the spotlight in research on fluid mechanics at low Reynolds number. These microorganisms can swim in blood and they have magnets within them. Therefore the investigation of the motion in viscous liquids of this kind of active particles for carrying drugs in the blood circulation under application of a magnetic field is still not known sufficiently. We perform Langevin numerical simulations of the motion of magnetic chains composed of polydisperse spherical rigid particles. The chains structure represents a crude model of a magnetotactic bacteria moving in a viscous liquid at low Reynolds number and also under the action of Brownian motion, an external magnetic field, and under influence of dipolar magnetic interactions. The governing equations are made non-dimensional and the physical parameters in order to control the microorganism’s motion identified. While the magnetic dipolar interactions between the particles are considered, the viscous hydrodynamic interactions are ignored in the present simulations. The initial configuration of the magnetic particle in the simulation considers the ones aligned as chains structure with a different number of magnetic particles similar to the structure of a real bacteria spine which is formed by a chain of magnetic crystals. We examine the kinematics of the magnetic bacteria with different numbers of particles in the chain. | - |
Descrição: dc.description | Faculdade de Tecnologia (FT) | - |
Descrição: dc.description | Departamento de Engenharia Mecânica (FT ENM) | - |
Descrição: dc.description | Programa de Pós-Graduação em Ciências Mecânicas | - |
Formato: dc.format | application/pdf | - |
Direitos: dc.rights | Acesso Aberto | - |
Direitos: dc.rights | A concessão da licença deste item refere-se ao termo de autorização impresso assinado pelo autor com as seguintes condições: Na qualidade de titular dos direitos de autor da publicação, autorizo a Universidade de Brasília e o IBICT a disponibilizar por meio dos sites www.bce.unb.br, www.ibict.br, http://hercules.vtls.com/cgi-bin/ndltd/chameleon?lng=pt&skin=ndltd sem ressarcimento dos direitos autorais, de acordo com a Lei nº 9610/98, o texto integral da obra disponibilizada, conforme permissões assinaladas, para fins de leitura, impressão e/ou download, a título de divulgação da produção científica brasileira, a partir desta data. | - |
Palavras-chave: dc.subject | Fluxo de baixo número de Reynolds | - |
Palavras-chave: dc.subject | Flagelo helicoidal | - |
Palavras-chave: dc.subject | Teoria do corpo delgado | - |
Palavras-chave: dc.subject | Efeitos viscoelásticos | - |
Palavras-chave: dc.subject | Movimento browniano | - |
Título: dc.title | On the motion of active particles in newtonian and non-newtonian liquids | - |
Aparece nas coleções: | Repositório Institucional – UNB |
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