شبیه‌سازی حرکت میکروشناگران با الگوبرداری از روی اسپرم به روش المان محدود

Abstract

در این پژوهش حرکت میکروشناگر در یک سیال نیوتنی تراکم ناپذیر با استفاده از روش المان محدود در حالات دو و سه‌بعدی بررسی شده‌است. حرکت موجی ‌شکل در دم میکروشناگر باعث ایجاد نیروهای هیدرودینامیکی درون سیال می‌شود و نیروی عکس‌العمل آن، باعث به جلو راندن میکروشناگر می‌شود. برای بررسی این موضوع، معادله ناویر-استوکس با قانون نیوتن جفت شده و در ناحیه محاسباتی حل شده‌‌است. در قسمت اول این پژوهش، تأثیر پارامترهای هندسی، همچون عرض کانال و پارامترهای موجی، همچون دامنه و طول موج، بر سرعت میکروشناگر بررسی شد. در میان نتایج بدست آمده، رابطه بین طول موج و سرعت میکروشناگر مورد توجه قرار گرفت. نشان داده ‌شد که روند تغییرات سرعت در حالت دوبعدی قابل پیش‌بینی نبوده و ارتفاع کانال شدیدا بر این رابطه تأثیر می‌گذارد. در قسمت دوم این مطالعه، با استفاده از مدل گسترش داده شده به بررسی پدیده شنای هماهنگ در دو حالت دو و سه‌بعدی پرداخته و نشان داده ‌شد که میانگین سرعت شنا در حالت پهلو به پهلوی دو‌بعدی، پهلو به پهلوی سه‌بعدی و بالا-پایین سه‌بعدی، به ترتیب 12 درصد افزایش، 10 درصد کاهش و 7 درصد افزایش می‌یابد. در انتها نیز با بررسی توزیع فشار در دامنه محاسباتی و اطراف میکروشناگران می‌توان به این نتیجه رسید که دوقطبی‌های ایجاد ‌شده ناشی از ضربه دم میکروشناگران و جهت قرارگیری آن‌ها علت افزایش و یا کاهش میانگین سرعت شنا است.