<p>  </p> <p>Acoustic streaming is a phenomenon which occurs when acoustic excitations interact with a fluid (stationary or non-stationary). Exploitation of this phenomenon has the potential to open doors to new methods of flow control through the enhancement or diminishment of the present flow instabilities. A particular use of acoustic streaming shown by previous numerical studies is the enhancement of heat transfer in violation of the Reynold’s Analogy within a small range of Mach numbers and frequencies of periodic excitation. The focus of this thesis is to experimentally assess the usage of a Rossiter cavity in generating periodic acoustic excitations and its effects on the shear stress and heat transfer. </p> <p>In the present research, two large models are tested using a blow-down facility. The models are made of aluminum and Teflon and were developed to ensure optical access for infrared thermography. The geometries are tested at Mach number ranging from 0.373 to 0. 866. The target Mach number-frequency pair where significant heat transfer enhancement is a free stream Mach number at the cavity, Mc, of 0.75 and the frequency, fc, of 7.5 kHz. The cavity is tuned using the Rossiter equation with Rossiter constants k = 0.66 and y = 0.25. The heat transfer and skin friction enhancement are measured immediately upstream and downstream of the cavity and compared to the previous numerical studies.</p> <p>When testing the Teflon model with an ambient back pressure and 11 lb/s mass flow, a frequency of 7.8 kHz was generated by the cavity. For the aluminum model tested at a high vacuum and 3 lb/s mass flow, frequencies near 7, 10, and 20 kHz were generated by the cavity with 10 and 20 kHz appearing most often. High speed schlieren imaging was used to confirm the flow structures being generated in the flow. There was good agreement with the Rossiter modes at lower Mach numbers and moderate agreement at transonic Mach numbers. A correlation is presented which defines a band of Mach number-Reynolds number pairs which present with a discontinuous frequency behavior during operation of the wind tunnel. Measurable effects on both skin friction and heat transfer between tests with comparable operating conditions to a reference were observed and are presented.</p>

Acoustic levitation permits the study of droplet dynamics without the effects of surface interactions present in other techniques such as pendant droplet methods. Despite the complexities of the interactions of the acoustic field with the suspended droplet, acoustic levitation provides distinct advantages of controlling morphology of droplets with nanosuspensions post precipitation. Droplet morphology is controlled by vaporization, deformation and agglomeration of nanoparticles, and therefore their respective timescales are important to control the final shape. The balance of forces acting on the droplet, such as the acoustic pressure and surface tension, determine the geometry of the levitated droplet. Thus, the morphology of the resultant structure can be controlled by manipulating the amplitude of the levitator and the fluid properties of the precursor nanosuspensions. The interface area in colloidal nanosuspensions is very large even at low particle concentrations. The effects of the presence of this interface have large influence in the properties of the solution even at low concentrations. This thesis focuses on the dynamics of particle agglomeration in acoustically levitated evaporating nanofluid droplets leading to shell structure formation. These experiments were performed by suspending 500µm droplets in a pressure node of a standing acoustic wave in a levitator and heating them using a carbon dioxide laser. These radiatively heated functional droplets exhibit three distinct stages, namely, pure evaporation, agglomeration and structure formation. The temporal history of the droplet surface temperature shows two inflection points. Morphology and final precipitation structures of levitated droplets are due to competing mechanisms of particle agglomeration, evaporation and shape deformation. This thesis provides iv a detailed analysis for each process and proposes two important timescales for evaporation and agglomeration that determine the final diameter of the structure formed. It is seen that both agglomeration and evaporation timescales are similar functions of acoustic amplitude (sound pressure level), droplet size, viscosity and density. However it is shown that while the agglomeration timescale decreases with initial particle concentration, the evaporation timescale shows the opposite trend. The final normalized diameter hence can be shown to be dependent solely on the ratio of agglomeration to evaporation timescales for all concentrations and acoustic amplitudes. The experiments were conducted with 10nm silica, 20nm silica, 20nm alumina and 50nm alumina solutions. The structures exhibit various aspect ratios (bowls, rings, spheroids) which depend on the ratio of the deformation timescale (tdef) and the agglomeration timescale (tg). For tdef

In both, cell secretome analysis and bacteria evolution, controlled handling of particles with a few to sub-micrometers in size and media exchange are inevitable in order to investigate body fluid’s proteins or change the surrounding culture conditions for pivoted evolution. Typically, nanofiltration and ultra-centrifugation are employed which can lead to cell damage, need large sample volumes and have a high sample loss. Using contactless and label-free acoustic cell manipulation, disadvantages of other magnetic, dielectric or hydrodynamic methods can be avoided. Here, a novel design using acoustic forces for small particle trapping and media exchange is thoroughly numerically investigated including first- and second-order acoustic effects. The device comprises parallel aligned medium and air channels separated by a thin wall. Particle trapping occurs at this thin wall. The medium channel dimensions (height and width) and thin wall thickness are optimized with respect to trapping forces. Thinnest walls are preferable and an aspect ratio of 0.8. First preliminary experimental variation with polystyrene particles showed good agreement with the simulations. Thereby the particle trapping efficiency is evaluated under quiescent flow conditions. For particle trapping, a device with a channel height of 290μm and an aspect ratio of 0.7 is superior which supports the numerical results. Finally, medium exchange of E. coli bacteria is demonstrated with best results for a device with a channel height of 450μm and an aspect ratio of 0.8 showing that 13.4% of the initial bacteria were released after medium exchange which can be used for further processing.

During the last decade, ultrasonic manipulation has matured into an important tool with a wide range of applications, from fundamental cell biological research to clinical and industrial implementations. The contactless nature of ultrasound makes it possible to manipulate living cells in a gentle way, e.g., for positioning, sorting, and aggregation. However, when manipulating cells using ultrasound, especially using high acoustic amplitudes, a great deal of heat can be generated. This constitutes a challenge, since the viability of cells is dependent on a stable physiological temperature around 37°C.      In this Thesis we present applications of ultrasonic manipulation of fluids, particles, and cells in temperature-controlled micrometer-sized devices fabricated using well established etching techniques, directly compatible with high-resolution fluorescence microscopy. Furthermore, we present ultrasonic manipulation in larger up to centimeter-sized devices optimized for fluid mixing and cell lysis. In the present work, two new ultrasonic manipulation platforms have been developed implementing temperature control. These platforms are much improved with increased performance and usability compared to previous platforms. Also, two new ultrasonic platforms utilizing low-frequency ultrasound for solubilization and cell lysis of microliter-volumed and milliliter-volumed samples have been designed and implemented.      We have applied ultrasound to synchronize the interaction between large numbers of immune, natural killer cells, and cancer cells to study the cytotoxic response, on a single cell level. A heterogeneity was found among the natural killer cell population, i.e., some cells displayed high cytotoxic response while others were dormant. Furthermore, we have used temperature-controlled ultrasound to form up to 100, in parallel, solid cancer HepG2 tumors in a glass-silicon multi-well microplate. Next, we investigated the immune cells cytotoxic response against the solid tumors. We found a correlation between the number of immune cells compared to the size of the tumor and the cytotoxic outcome, i.e., if the tumor could be defeated.             Finally, the effect of high acoustic pressure amplitudes in the MPa-range on cell viability has been studied in a newly developed platform optimized for long-term stable temperature control, independent on the applied ultrasound power. Lastly, we present two applications of ultrasonic fluid mixing and lysis of cells. One platform is optimized for small microliter-sized volumes in plastic disposable chips and another is optimized for large milliliter-sized volumes in plastic test tubes. The latter platform has been implemented for clinical sputum sample solubilization and cell lysis for genomic DNA extraction for subsequent pathogen detection / Ultraljudsmanipulering har under de senaste tio åren mognat och utvecklats till ett verktyg med ett brett användningsområde. Idag kan man finna applikationer inom allt från cellbiologisk grundforskning till industri samt sjukvård. Ultraljudsmanipuleringens kontaktlösa natur gör det till en varsam metod för att manipulera celler, till exempel inom positionering, sortering och aggregering. När ultraljud med hög amplitud används kan värmeutvecklingen, som är oundviklig, bli ett problem. För att kunna säkerställa hög cellviabilitet krävs temperaturkontroll som kan hålla en fysiologisk, stabil temperatur på 37°C.      I denna avhandling presenterar vi tillämpningar av temperaturkontrollerad ultraljudsmanipulering i mikrometerstora anordningar fabricerade med väletablerade etsningstekniker.  Dessa anordningar är optimerade för att vara fullt kompatibla med högupplöst fluorescensmikroskopi.  Vi demonstrerar även ultraljudsmanipulering i centimeterstora anordningar optimerade för omrörning och blandning av vätskor samt lysering av celler. Två nya plattformar för ultraljudsmanipulering med inbyggd temperaturkontroll har utvecklats. Dessa två plattformar erbjuder ökad prestanda, flexibilitet samt även användarvänlighet. Utöver dessa plattformar har ytterligare två anordningar för lågfrekvent ultraljudssolubilisering och cellysering av mikroliter- och milliliterstora prover konstruerats.      I denna avhandling har vi tillämpat ultraljud för att synkronisera interaktionen mellan populationer utav immunceller (natural killer-celler) och cancerceller för att på cellnivå studera det cytotoxiska gensvaret. Vi fann en heterogenitet hos immuncellspopulationen. Det manifesterade sig i en fördelning av immuncellerna, från celler med stort cytotoxiskt gensvar till inaktiva immunceller. Vi har dessutom använt temperaturkontrollerad ultrasljudsmanipulering för att skapa solida cancertumörer utav HepG2-cancerceller, upp till 100 stycken parallellt, i en multihåls-mikrotiterplatta bestående av glas och kisel. Med hjälp av dessa tumörer har vi studerat det cytotoxiska gensvaret från immuncellerna. Vi fann att förhållandet mellan antalet immunceller och storleken på tumören bestämde utfallet, det vill säga om tumören kunde bekämpas.      Vi presenterar dessutom effekten utav högamplitudsultraljudsexponering av cancerceller i en plattform speciellt designad för höga tryckamplituder med implementerad ultraljudseffektsoberoende temperaturkontroll. Slutligen presenterar vi två tillämpningar av ultraljud för vätskeblandning och cellysering. Den första tillämpningen är anpassad för små volymer i plastchip för engångsbruk och den andra är optimerad för större volymer i plastprovrör. Den senare tillämpningen är speciellt framtagen för ultraljudssolubilisering och cellysering utav kliniska sputumprover för att möjliggöra DNA-extrahering för detektion av smittämnen. / <p>QC 20150522</p>

Bei Einkopplung von Schall in ein Fluid können durch nichtlineare Effekte und Dämpfung Strömungen erzeugt werden. Diese Strömungen, die ihre Energie aus einem Impulsübertrag der Schallwelle auf die Flüssigkeit beziehen, werden akustische Strömungen genannt (engl.: acoustic streaming). Dieser Impulsübertrag hängt u.a von der Dämpfung der Schallwelle im Medium ab: bei stärkerer Dämpfung nimmt der Impulsübertrag zu und entsprechend die Geschwindigkeit der induzierten Strömung. Eine wichtige Rolle in der vorgelegten Arbeit spielt die Dämpfungserhöhung im Fall in der Flüssigkeit vorhandener Blasen. Dies ist insbesondere bei allen Prozessen von großer Bedeutung, in denen durch intensive (Ultra-)Schallfelder die Blasen in der Flüssigkeit selbst erzeugt werden (akustische Kavitation). Hier entstehen durch die mit den Blasen verbundene Dissipation sehr viel größere akustische Strömungsgeschwindigkeiten als im Fall ohne Kavitation. Zudem werden durch die Volumenoszillation und die Translation der Kavitationsblasen weitere Strömungen auf Skala der Blasengröße induziert. Mit einem in der Arbeit neu entwickelten Versuchsaufbau lassen sich Strömungen auf größeren und mittleren Skalen bis zu einzelnen Blasen in akustischen Kavitationsblasenfeldern abbilden und untersuchen. Durch die Farbtrennung eines speziellen Fluoreszenzmikroskopes ist es möglich, die Flüssigkeitsströmungen und die Kavitationsblasen simultan und getrennt aufzunehmen. Die Abhängigkeit der akustischen Strömungen von verschiedenen Einflussparametern wie Schallleistung, Temperatur und Gasgehalt der Flüssigkeit werden am Beispielfall einer bei 17 kHz betriebenen Ultraschall-Sonotrode (Schallhorn) in Wasser untersucht. Insbesondere der Übergang vom nicht kavitierenden zum kavitierenden Fall ist hier von Interesse, was durch die Möglichkeit eines statischen Überdrucks im Experiment gut beeinflusst werden kann. Es zeigt sich wie erwartet mit dem Einsetzen von Kavitation eine starke Zunahme der akustischen Strömungsgeschwindigkeiten, woraus auf den stark erhöhten Dämpfungskoeffizienten für Schallausbreitung geschlossen werden kann. Ebenfalls werden die sehr schnellen Mikroströmungen auf Blasenebene dokumentiert. Eine genauere Analyse ergibt auch das Auftreten von subharmonischem Verhalten bei Blasendynamik und Strömungsfeld. An speziellen Ultraschallwandlern werden zudem die rein akustischen Strömungen (ohne Auftreten von Kavitation) bei extremen, bisher für Dickenschwinger nicht erreichbaren Schallfrequenzen bis zu 2 GHz in Wasser experimentell untersucht. Hierzu wird ebenfalls der Fluoreszenz-Aufbau verwendet, Es zeigen sich relativ hohe Strömungsgeschwindigkeiten in Form eines vom Wandler weggerichteten Jets, der sich auch weit jenseits der Eindringtiefe des Schalls in die Flüssigkeit erstreckt. Dieses Verhalten wird ebenfalls numerisch mit einer Finite-Elemente-Methode modelliert. Hier wird neben ausführlichen, aber sehr zeitaufwändigen Rechnungen auch erfolgreich eine vereinfachte Simulation der akustischen Strömungen in dem betrachteten Fall sehr hoher Frequenz angewandt.

La présente étude s'intéresse à un écoulement d'acoustic streaming, c'est-à-dire un écoulement généré par la propagation d'une onde acoustique dans un fluide. Le travail consiste à comparer deux approches : expérimentale et numérique. Les ultrasons sont émis à 2MHz par un transducteur piézo-électrique de 28.5mm de diamètre. Ce dernier est plongé dans une cuve d'eau équipée de deux parois absorbantes : l'une sert à séparer le champ proche du champ lointain et l'autre est placée à l'extrémité du domaine fluide afin d'éviter toute réflexion. On réalise ainsi une étude en champ proche et une étude en champ lointain. Les mesures sont de deux types : champ de pression acoustique (hydrophone) et champ de vitesse (PIV). En parallèle, on effectue des simulations numériques directes avec le logiciel StarCCM+TM. Il s'agit de résoudre les équations de Navier-Stokes en fluide incompressible complétées d'un terme source de force acoustique. L'expression de ce dernier est obtenue par séparation des échelles de temps, ce qui consiste à négliger à l'échelle de temps acoustique les variations temporelles lentes, de l'écoulement généré. La démarche est ensuite analogue à celle utilisée en turbulence pour le calcul des tenseurs de Reynolds. On obtient finalement un bon accord entre les résultats expérimentaux et ceux de la modélisation numérique.

La lévitation acoustique par des ondes stationnaires ultrasonores (USW), permettent la manipulation des objets micrométriques. L'objectif principal de cette thèse est d'explorer les possibilités offertes par la lévitation acoustique pour manipuler des particules, des cellules et même des bactéries. Nous avons conçu et construit tous les résonateurs et nous avons développé les méthodologies que nous allons montrer dans ce travail expérimental. Selon la nature des particules, leur déplacement est donné par son interaction avec la force acoustique primaire. La position où les particules se déplacent est le point dont les forces acoustique et gravitationnel sont équilibrées. Dans le plan de lévitation, les interactions connues comme force secondaire de Bjerknes est la première étape du processus d'agrégation. Nous présentons une méthodologie pour mesurer cette force. Nous avons mesuré cette force en conditions de micropesanteur. Dans nous résonateurs, nous travaillons avec un grand nombre des particules dont les agrégats sont 3D. Nous introduisons le mode acoustique pulsé que nous permet générer des agrégats 2D. Lorsque les particules deviennent plus petites de 1µm, sa manipulation est difficile en raison de l'influence de l'acoustic streaming qui modifie le comportement des particules. Le mode acoustique pulsé permet de réduire ou de contrôler l'acoustic streaming que nous permet manipuler des particules de taille submicronique, des bactéries et des micro-cylindres catalytiques. Une séparation a été faite par un mélange des particules de 7-12µm dans le dispositif s-SPLITT. Néanmoins la combinaison de forces hydrodynamique et acoustique (HACS) a permis améliorer la séparation.

Les moteurs thermoacoustiques sont des oscillateurs autonomes constitués d'un résonateur acoustique partiellement occupé par un matériau poreux (stack) soumis à un important gradient de température grâce à un apport de chaleur externe. Lorsque le gradient de température imposé le long du stack devient supérieur à un certain gradient critique, appelé seuil de déclenchement, l'interaction fluide-parois se traduit par l'amplification d'une onde acoustique auto-entretenue de fort niveau sur le mode le plus instable du résonateur. L'objet des travaux présentés dans ce mémoire est double. D'une part, il est de proposer un formalisme pour la description du fonctionnement de moteurs thermoacoustiques facilement généralisable à l'ensemble de ces systèmes, qu'ils soient à ondes stationnaires ou à ondes progressives. D'autre part, il est de proposer une approche expérimentale pour la caractérisation du noyau thermoacoustique (incluant le stack et la portion de guide inhomogène en température), qui permette de décrire le comportement de systèmes thermoacoustiques sans formuler d'hypothèses sur la forme du champ de température ou la géométrie du stack.Une modélisation analytique des conditions marginales de stabilité et du taux d'amplification de l'onde est tout d'abord proposée, basée sur l'écriture des matrices de transfert des différents éléments qui constituent le moteur. Ces matrices de transfert associées aux conditions aux limites du système étudié conduisent à une équation caractéristique dont la forme dépend de la géométrie de moteur considérée. La solution de cette équation est une pulsation acoustique complexe dont la partie imaginaire correspond au coefficient d'amplification thermoacoustique.La mesure de la matrice de transfert du noyau thermoacoustique constitue la partie expérimentale des travaux exposés. Elle est réalisée pour différentes conditions de chauffage au moyen d'une méthode à quatre microphones. Dans un premier temps, les résultats expérimentaux sont introduits dans le modèle développé précedemment pour prédire le seuil de déclenchement de divers moteurs thermoacoustiques équipés de ce noyau. Les résultats obtenus grâce à cette méthode sont très proches des observations expérimentales, validant ainsi le banc de mesure et le modèle décrivant les conditions de stabilité. Dans un second temps, les données expérimentales sont utilisées pour affiner un modèle analytique décrivant les mécanismes couplés de propagation acoustique et de transport de la chaleur dans le noyau thermoacoustique : ceci permet notamment d'ajuster les valeurs de paramètres acoustiques et thermiques au moyen d'une méthode inverse.Au-delà du seuil de déclenchement, l'amplification et la saturation de l'onde résultent pour une bonne part du transport de chaleur thermoacoustique et de la convection forcée liée à la génération d'un écoulement redressé (vent acoustique), ces deux mécanismes étant généralement responsables d'une dynamique d'évolution complexe de l'amplitude de pression acoustique au cours du régime transitoire. La dernière partie de ces travaux est consacrée à l'introduction de ces deux effets dans le modèle décrit ci-avant, donnant ainsi accès à la description du régime transitoire de l'onde. Une modélisation simplifiée des transports de chaleur associés au vent acoustique de Rayleigh est notamment proposée, qui permet de montrer que cet effet joue vraisemblablement un rôle important dans la dynamique des régimes transitoires observés expérimentalement dans un générateur thermoacoustique quart d'onde. / Thermoacoustic engines are autonomous oscillators generally made of an acoustic resonator, partially filled with a porous material (stack) submitted to a strong, externally supplied, temperature gradient. When the imposed temperature gradient along the stack becomes larger than a critical value, called the onset threshold, the interaction between the fluid and the solid plates leads to a high-level self-sustained acoustic wave at the frequency of the most unstable mode of the resonator. The purpose of the work presented in this report can be separated into two parts. On the one hand, a theoretical modelling is proposed for the description of thermoacoustic engines, which is derived for standing-wave thermoacoustic systems as well as for travelling-wave systems. On the other hand, an experimental approach is proposed for the characterisation of the thermoacoustic core (corresponding to the stack and the thermal buffer tube), allowing to describe the behaviour of thermoacoustic systems without making any assumptions concerning the shape of the temperature profile or the stack geometry. An analytical network modelling of thermoacoustic engines is proposed for the calculation of the threshold conditions and the amplification rate of the acoustic wave. The transfer matrices, combined with appropriate boundary conditions, lead to the derivation of the characteristic equation of the system. The solution of this equation is a complex angular frequency whose imaginary part represents the thermoacoustic amplification coefficient.The experimental part of this work consists in measuring the transfer matrix of the thermoacoustic core. This is realized for several heat supply conditions, by means of a four-microphones method. First, these experimental results are used for the prediction of onset conditions of standard thermoacoustic engines equipped with the thermoacoustic core. The results obtained with this method are very close to the experimental observations, which allow to judge of the consistency of the experimental apparatus and of the model describing the stability conditions. Second, the experimental datas are used in order to fit an analytical model describing the coupled mechanisms of acoustic propagation and heat transfers in the thermoacoustic core : this allows to estimate the values of acoustic and thermal parameters using an inverse method.Beyond the onset threshold, the amplification and saturation of the wave essentially result from the thermoacoustic heat flux and the convection coming from the generation of a mass flow (acoustic streaming). Both these mechanisms are generally responsible of complicated dynamics for the transient acoustic pressure amplitude. The last part of this work is dedicated to the introduction of both these effects in the previously described model, which leads to the calculation of the transient regime. A simplified modelling of Rayleigh streaming enhanced heat transfers is proposed, which allows to show that this effect may play an important role in the transient dynamics observed in an experimental quarter-wavelength thermoacoustic engine.

<div> <p> Aircraft engines require lightweight efficient thermal management devices to improve engine performance at high pressure ratios. Acoustic streaming can provide a viable, lightweight solution to improve the heat exchanger capacity with a reduced drag penalty within engine heat exchangers. This project develops a test section that will experimentally characterize the effect of acoustic streaming on the unsteady heat flux and shear stress within a narrow channel. This is accomplished by careful selection of measurement techniques to monitor the steady and unsteady properties of the flow and iteratively designing the test section with CFD support to converge to an optimal test model. Using CFD support to revise each iteration reduces the experimental cost of developing an effective geometry. </p> <p> Pressure taps and K-type thermocouples are used to monitor the total inlet pressure and temperature as well as the wall surface pressure and temperature. Optical shear stress sensors are selected to monitor the unsteady wall shear stress. A thin film sensor array is designed for high frequency wall temperature measurements which serve the boundary condition for a 1-D heat flux analysis to determine the unsteady heat flux through the wall. The test model consists of two hollow Teflon airfoils that create a narrow channel within a larger flow area. The airfoils create three flow paths within the wind tunnel test section and the area ratio between the measured flow and the bypass flow controls the Mach number of within the measured flow channel. The acoustic waves drive acoustic streaming and are generated by a Rossiter Cavity with L/D =2 which produces pressure oscillations with dominant frequency of 8 kHz in a Mach 0.8 flow. </p> <p> The test geometry successfully achieves <a>Mach 0.8 flow and the 8 kHz signal </a><a href="https://purdue0-my.sharepoint.com/personal/mbutzen_purdue_edu/Documents/MS Thesis/Thesis Living Document.docx#_msocom_1">[BMJW1]</a> from the Rossiter cavity. The successful commissioning sets the stage for future experiments to determine the potential of acoustic streaming as a low weight modification to improve compact heat exchangers. </p> </div> <div><div><div><br> </div> </div> </div>