Applications of the Acoustophoretic Force - Development of Acoustic Tweezing Aided Flotation
Author
Barlous, Benjamin Christopher
Term
4. term
Education
Publication year
2024
Submitted on
2024-06-21
Pages
80
Abstract
Denne afhandling undersøger, hvordan den akustoforetiske kraft – den skubbevirkning som lydbølger udøver på små objekter – kan bruges i et Acoustic Tweezing Aided Flotation (ATAF)-system, der hjælper luftbobler og plastikpartikler med at mødes. Arbejdet udleder og validerer et nyt, tidsafhængigt endimensionelt udtryk for kraften i en simpel geometri. Dette udtryk indarbejdes i et Udvidet Kalman-filter (EKF), en estimeringsalgoritme der kan udlede skjulte påvirkninger fra støjende målinger, for at karakterisere ukendte forstyrrelseskræfter på en luftboble under ATAF. På en modelleret boble kunne EKF’et beskrive disse forstyrrelser, men i forsøg virkede det kun for bobler tæt på startpositionen på grund af modelusikkerheder. Kraftmodellen blev også brugt til at designe en enkel lineær reguleringsstrategi med det mål at få bobler til at interagere med plastikpartikler. I eksperimenter kunne ATAF-opstillingen bringe x- og y-positionerne for plastikpartikler og luftbobler på linje ved at bruge en enkelt akustisk transducer og en PI-regulator til partiklerne, mens boblerne udnyttede deres naturlige opdrift. Z-aksens position kunne ikke kontrolleres i forsøgsopstillingen, hvilket gjorde fuld absolut positionsjustering mellem bobler og partikler sjælden. Kobling mellem bobler og plastikpartikler viste sig vanskelig, fordi der blev brugt olivenolie som medium, hvilket ikke giver nogen hydrofob tiltrækningskraft. Samlet set peger resultaterne på potentiale for at anvende den akustoforetiske kraft i flotationsanlæg, men der er behov for yderligere forskning.
This thesis explores how the acoustophoretic force—the push that sound waves exert on small objects—can be used in an Acoustic Tweezing Aided Flotation (ATAF) system that helps air bubbles and plastic particles meet. The work derives and validates a new time-dependent, one-dimensional expression for this force in a simple geometry. This expression is embedded in an Extended Kalman Filter (EKF), an estimation algorithm that infers hidden effects from noisy measurements, to characterize unknown disturbing forces acting on an air bubble during ATAF. On a modeled bubble, the EKF could describe these disturbances; in experiments, it worked only for bubbles close to their initial position because of modeling uncertainties. The force model also guided a straightforward linear control strategy intended to promote interactions between bubbles and plastic particles. In tests, the ATAF setup aligned the x and y positions of plastic particles and air bubbles using a single acoustic transducer and a proportional–integral (PI) controller for the particles, while relying on the bubbles’ natural buoyancy. However, the z position could not be controlled in the experimental setup, so fully aligning the absolute positions of bubbles and particles was rare. Coupling between bubbles and plastic particles was difficult because olive oil was used as the medium, which provides no hydrophobic attraction. Overall, the results indicate that adding acoustophoretic forces to flotation plants is promising, but more research is needed.
[This summary has been rewritten with the help of AI based on the project's original abstract]
Keywords
Documents