- Thiết kế, mô phỏng cấu trúc đầu phun mực thông minh. - Khái niệm vật lý cơ bản: đưa ra những khái niệm cơ bản áp dụng trong bài toán mô phỏng hệ cảm biến giọt chất lỏng trong ống. - Bài toán điều khiển kích cỡ giọt chất lỏng trong ống phun: Trình bày ý tưởng về bài toán điều khiển giọt chất lỏng trong ống phun. - Mô phỏng bài toán với Comsol Multiphysics: Xây dựng mô hình mô phỏng và quá trình thực hiện.. - Keywords: Cơ học chất lỏng. - Một hướng nghiên cứu tiêu điểm là xác định và điều khiển kích cỡ giọt chất lỏng phun qua một ống phun, với các ứng dụng trong ngành chế tạo máy in phun và công nghệ sinh học. - Xuất phát từ nhu cầu đó, luận văn hướng đến việc thiết kế mô hình cảm biến giọt chất lỏng trong ống phun, và mô phỏng toàn quá trình cảm biến của mô hình trên máy tính.. - Chương 1 Khái niệm vật lý cơ bản: đưa ra những khái niệm cơ bản áp dụng trong bài toán mô phỏng hệ cảm biến giọt chất lỏng trong ống.. - Chương 2 Bài toán điều khiển kích cỡ giọt chất lỏng trong ống phun: Trình bày ý tưởng về bài toán điều khiển giọt chất lỏng trong ống phun.. - Chương 3 Mô phỏng bài toán với Comsol Multiphysics: Xây dựng mô hình mô phỏng và quá trình thực hiện.. - Sóng cơ là dao động cơ lan truyền trong một môi trường.. - Khi sóng truyền đi, chỉ có pha dao động (trạng thái dao động) truyền đi, còn phần tử vật chất của môi trường thì dao động tại chỗ.. - Sóng dọc truyền được trong cả chất khí, chất lỏng và chất rắn.. - Sóng ngang truyền được trong chất rắn vàtrên bề mặt chất lỏng.. - Chu kì T: là chu kỳ dao động của một phần tử của môi trường khi có sóng truyền qua. - Tốc độ truyền sóng v: là tốc độ lan truyền dao động.. - Biên độ sóng tại mỗi điểm trong không gian chính là biên độ dao động của phần tử môi trường tại điểm đó.. - Năng lượng sóng cơ là năng lượng dao động của các phần tử của môi trường mà sóng truyền qua.. - Hình 0-1:Sơ đồ dao động tại điểm M thuộc phương x (Trong đó t là thời gian sóng truyền từ tâm sóng O tới điểm khảo sát M). - Dao động của một phần tử sóng tại một điểm là một dao động điều hòa theo thời gian với chu kỳ T. - Độ lệch pha của hai dao động tại hai điểm trên cùng một phương truyền sóng:. - 2k, k Z:Dao động tại M cùng pha dao động tại N d2 - d1 = k. - Những điểm trên cùng một phương truyền sóng cách nhau một số nguyên bước sóng thì dao động cùng pha. - k Z: Dao động tại M ngược pha dao động tại N d2 - d1= (2k + 1). - Những điểm trên cùng một phương truyền sóng cách nhau một số lẻ nửa bước sóng (hoặc số nửa nguyên bước sóng) thì dao động ngượcpha.. - Trong chất khí và chất lỏng sóng âm chỉ là sóng dọc.. - 10 log(I/I 0 ) o Đồ thị dao động của âm. - Tổng hợp đồ thị dao động của tất cả các họa âm gọi là đồ thị dao động của âm.. - Âm sắc có liên quan mật thiết với đồ thị dao động âm.. - Phương trình dao động của hai nguồn:. - Biên độ dao động tổng hợp: a. - Âm dễ truyền trong vật rắn, sau đó đến chất lỏng và chất khí. - Khi có dòng điện, vật liệu áp điện sinh ra những dao động trên bề mặt, những sóng đó gọi là sóng R-SAW (Raleigh Surface Acoustics Wave).. - Trong đó là độ dịch chuyển các hạt, là thế năng của chất lỏng, k = là số sóng, v là vận tốc sóng, là hằng số suy giảm theo phương vuông góc bề mặt vật áp điện, là hệ số quan hệ, là tỉ trọng chất lỏng, là hệ số đàn hồi của chất lỏng.. - Trong luận văn này, tác giả mô phỏng lại hiệu ứng áp điện trên nền vật liệu áp điện, từ đó khảo sát những tác động của nó lên hệ thống vòi phun mực và ứng dụng của vật liệu áp điện với vòi phun mực thông minh.. - BÀI TOÁN ĐIỀU KHIỂN KÍCH CỠ GIỌT CHẤT LỎNG 2.1 Nguyên lý hoạt động máy in phun dùng tinh thể áp điện. - Về lý thuyết, bộ phận áp điện có thểtrực tiếp điều khiển chất lỏng mực.. - Để giải quyết bài toán tính toán thể tích giọt mực, có 2 phương án thường sử dụng: Tính toán lý thuyết và Mô phỏng số. - Tuy nhiên ở đây ta gặp một khó khăn thực sự khi xây dựng phương trình vi phân cho chất lỏng ở hai môi trường khác nhau, môi trường chất lỏng và môi trường khí. - Chất lỏng trong môi trường chất lỏng được diễn tả theo phương trình dòng chảy chấtlỏng không bị nén Navier-stokes. - Trong khi đó chất lỏng trong môi trường khítuân theo phương trình khuếch tán Cahn – Hilliard. - Ngoài ra nó phụ thuộc vào tính chất của chất lỏng bên môi trường lỏng, tính chất chấtlỏng bên môi trường khí và tương tác chất lỏng cấu trúc rắn, cấu trúc rắn với môi trường khí. - Trong chương này, tác giả đưa ra các lựa chọn để giải bài toán tính thể tích khối chất lỏng phun ra từ đầu phun mực. - tác giả chọn phương pháp mô phỏng số với công cụ Comsol Multiphysics để mô phỏng và trực quan hóa hiện tượng vật lý của vòi phun mực. - MÔ PHỎNG BÀI TOÁN VỚI COMSOL MULTIPHYSICS 3.1 Xây dựng mô hình mô phỏng. - Khi bộ chấp hành được kích hoạt, mực được bơm ra, khi đó mặt thoáng giữa chất lỏng và không khí trên đầu phun mực thay đổi. - Chất lỏng trong đầu phun mực thay đổi dẫn đến tín hiệu nhận được trên IDT (interdigital transducer) đầu ra của cảm biến thay đổi. - Khi đặt vào IDT phát một tín hiệu dao động điều hòa, sóng SAW sẽ được tạo ra và truyền trên bề mặt cấu trúc đến IDT thu. - Các thay đổi về cấu trúc, tính chất của hệ thống trên đường truyền sóng gây ra do dòng chất lỏng sẽ được biến điệu và thu được trên IDT thu.. - Khi đó sóng sẽ truyền trên bề mặt chất áp điện, truyền qua lỗ có chứa chất lỏng và truyền đến bộ thu.. - Bản chất truyền sóng âm là truyền dao động của các hạt phần tử vật chất, như vậy về lý thuyết có thể phỏng đoán khi truyền qua lỗ chứa chất lỏng sẽ có sự biến thiên dao động tại phía bên kia lỗ so với bên phát sóng (giả sử sóng đến từ bên A và truyền sang bên B như hình 3.1). - Sự dao động khi truyền đến bên thu sẽ sinh ra dòng điện, ta sẽ đi khảo sát cụ thể trong các trường hợp.. - Thiết kế, mô phỏng cấu trúc của đầu phun mực có gắn cảm biến SAW sử dụng phần mềm Comsol là nội dung được đặt ra cho luận văn thạc sĩ này.. - 3.1.3 Xây dựng mô hình mô phỏng với Comsol. - Hình 0-2: Mô hình mô phỏng với Comsol. - Mô hình mô phỏng dựa trên một nền là khối chất áp điện Lithium Niobate (là một vật liệu phổ biến, thông dụng hiện nay) và chất lỏng là nước. - Mặt đế được gắn cứng để tránh những dao động không cần thiết.Chính giữa khối là một giếng chứa chất lỏng khảo sát bán kính 10 , chiều cao 30. - Trong bài toán này, tác giả thực hiện mô phỏng và khảo sát dao động tại ngay trước và ngay sau miệng giếng chứa chất lỏng và điện thế lối ra khi truyền qua hệ. - Mô phỏng đồng thời trên 2 kênh: kênh không có giếng chứa chất lỏng và kênh có giếng chứa chất lỏng chảy đều trong giếng. - Sau đó tiến hành mô phỏng với trường hợp chất lỏng trong giếng dao động với tần số xác định, và đánh giá các kết quả thu được.. - 3.2Tiến hành mô phỏng. - 3.2.2 Mô phỏng. - Chất liệu áp điện sử dụng trong mô phỏng là LiNO 3 , là loại vật liệu được sử dụng nhiều hiện nay, có sẵn trong thư viện của Comsol.. - Tạo lỗ chứa chất lỏng trên một kênh, và kênh kia không có. - Hình 0-5: Tạo giếng chứa chất lỏng. - Đặt thuộc tính cho chất lỏng trong giếng là chất lỏng chảy đều với vận tốc velocity_inlet = 0.001(m/s), hướng chảy từ phía mặt dưới lên (dọc theo trục z), áp suất nước lối ra được đặt giá trị 0.. - Hình 0-6: Chọn chất liệu mô phỏng. - Khảo sát với thời gian lấy mẫu 0.09e-9 (s), khoảng thời gian khảo sát: 130e-9 (s), với giếng chứa chất lỏng là nước trên 1 kênh, còn kênh kia không có giếng chất lỏng. - Dựa vào kết quả mô phỏng ta thấy màu sắc 2 bên giếng chứa chất lỏng có sự khác biệt so với trường hợp không có giếng, nguyên nhân do dao động truyền qua giếng chứa dung dịch. - Tuy nhiên, để khảo sát rõ hơn, ta xét dao động tại các điểm sau giếng, và điểm tương ứng ở bên kênh không có giếng.. - Từ hình 3-10, Ta thấy có sự thay đổi của dao động khi đi qua giếng chất lỏng và khi không có giếng chất lỏng. - Điều này xảy ra khi truyền dao động qua giếng chất lỏng mà ta tạo ra. - Từ đó ta thấy có sự khác biệt trong dao động khi thay đổi vật chất trong giếng từ môi trường nước sang khí. - Các thuộc tính của vật chất trong giếng như khối lượng riêng,… ảnh hưởng đến kết quả mô phỏng. - Hình 0-12: Chuyển vị tại 2 điểm tương ứng ở 2 kênh với giếng thủy ngân Để nhận biết sự thay đổi vật chất trong giếng, ta tiến hành mô phỏng thế ra đối với 2 trường hợp không có giếng và có giếng, kết quả mô phỏng như trong hình 3-13 và hình 3-14.. - Hình 0-13: Mô phỏng thế tại 2 điểm lối ra với giếng thủy ngân. - Hình 0-14: Mô phỏng thế tại 2 điểm lối ra với giếng nước. - Như vậy, với các vật chất khác nhau thì ta thu được kết quả lối ra khác nhau, trong ví dụ trên, biên độ thế lối ra với trường hợp chứa chất lỏng là nước lớn hơn đối với chất lỏng là thủy ngân.. - Ngoài ra, khi khảo sát với dòng nước chảy đều trong giếng và dòng nước dao động trong giếng theo hàm A.sin(2 ) với A là biên độ dao động của nước, f=1e6Hz là tần số dao động của nước, ta cũng được các kết quả khác nhau như hình 3-17 và 3-18. - Hình 0-18: Thế tại điểm tọa độ khi có nước dao động trong giếng. - Các kết quả này cho thấy, thế tại lối ra cũng chịu ảnh hưởng của các chuyển động của chất lỏng trong giếng.. - Cụ thể, biên độ tín hiệu lối ra nhỏ hơn với trường hợp không có giếng, pha của tín hiệu lối ra cũng bị trễ đi.Hơn nữa với các chất lỏng khác nhau thì sự thay đổi đó càng thể hiện rõ rệt (hình 3-13 và 3-14 cho thấy rõ kết quả khác biệt với thủy ngân và nước). - Ở hình 3-15 và hình 3-16 cho ta thấy sự phụ thuộc của kết quả lối ra vào khối lượng riêng của chất lỏng trong giếng, khối lượng riêng chất lỏng trong giếng càng lớn thì dao động lối ra càng gần với trường hợp không có giếng. - Hơn nữa, không chỉ phụ thuộc vào chất lỏng trong giếng về khối lượng riêng, loại chất lỏng, kết quả thu được ở hình 3-17 và hình 3-18 thể hiện sự ảnh hưởng của tín hiệu đầu ra vào vận tốc chất lỏng trong giếng.. - 3.3Kết luận chương và đánh giá phương pháp mô phỏng. - Qua chương 3, Luận văn đã trình bày phương pháp mô phỏng một hệ vật lý với Comsol Multiphysics. - Cụ thể đã mô phỏng thành công sự truyền sóng SAW trên bề mặt chất áp điện, từ đó xác định sự biến thiên dao động khi sóng truyền qua giếng chứa chất lỏng.. - Tuy nhiên, quá trình mô phỏng còn nhiều thiếu sót. - Để khắc phục nhược điểm này có 2 phương pháp, một là sử dụng vật liệu hấp thụ dao động không mong muốn (absorber), hai là mô phỏng một vật liệu có chiều dài lớn đủ để trong quá trình khảo sát chưa có sóng phản xạ.. - Luận văn tập trung vào việc mô phỏng một đầu phun mực, từ đó tìm ra hướng xác định sự thay đổi của vật chất trong vòi phun mực. - Việc xác định thể tích chất lỏng trong vòi phun là vấn đề đang được nhiều quốc gia, nhiều phòng thí nghiệm trên thế giới nghiên cứu, mục đích là để điều khiển chính xác nhất luồng chất lỏng chảy qua vòi phun.. - Trong khuôn khổ của Luận văn chưa trình bày được quá trình trích xuất tín hiệu điện từ lối ra và đưa trở lại để điều khiển luồng chất lỏng hoặc đưa ra các thông số cụ thể về chất lỏng trong ống phun, nhưng đã nêu bật được một số mấu chốt quan trọng, xác định được tính chất của chất lỏng trong giếng mà ảnh hưởng trực tiếp đến thế ra, dựa vào đó có thể tiếp tục nghiên cứu bài toán xác định được sự thay đổi của chất lỏng trong vòi phun.. - Xây dựng thành công mô hình mô phỏng đầu phun mực thông minh. - Mô phỏng được sự biến thiên dao động vật chất trong hệ. - Thu được Video quá trình mô phỏng. - Khảo sát được sự thay đổi của dao động trước và sau miệng vòi phun mực. - Khảo sát sự phụ thuộc của tín hiệu lối ra vào các đặc tính vật lý của chất lỏng trong vòi phun mực. - Đặc biệt,luận văn đã mô phỏng được thực hiện với chất lỏng chuyển động trong giếng với 2 trường hợp chất lỏng chuyển động đều và dao động theo hàm sin.. - Khảo sát tín hiệu điện tại lối ra khi có tạp nhiễu trong chất lỏng, thay đổi về độ nhớt, thể tích trong chất lỏng.. - [1] Lâm Hữu Thực(2010), thiết kế và mô phỏng một đầu in phun mực gắn cảm biến, Đại học Công nghệ.