Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Engineering
Click here for the English version

Engineering

Diffusion av passiv spårämnen i Laminar skjuvning flöde

Published: May 1, 2018 doi: 10.3791/57205
Automatic Translation
1,2, 1, 1, 1,3, 1
1Department of Mathematics, University of North Carolina at Chapel Hill, 2Department of Mathematics, Colorado State University, 3School of Engineering, Brown University

Summary

Ett protokoll för studier av diffusionen av passiv spårämnen i laminar tryck-driven flödet presenteras. Förfarandet är tillämpliga på olika kapillär pipe geometrier.

Abstract

En enkel metod att experimentellt Observera och mäta spridningen av passiv spårämne i en laminär vätskeflöde beskrivs. Metoden består av första injicera fluorescerande färg direkt i ett rör fyllt med destillerat vatten och gör det möjligt att diffundera över ytan av röret att få ett jämnt distribuerade inledande villkor. Efter denna period aktiveras den laminärt flöden med en programmerbar sprutpumpen att iaktta konkurrensen av advektion och diffusion av spårämne genom röret. Asymmetrier i tracer distributionen studeras och korrelationer mellan röret tvärsnitt och formen på distributionen visas: tunna kanaler (bildförhållande << 1) producera spårämnen anländer med skarpa fronter och avsmalnande () svansar tyngdpunkten distributioner), medan tjocka kanaler (bildförhållande ~ 1) presenterar den motsatta beteenden (slutintensiv distributioner). Det experimentella förfarandet tillämpas på kapillärrör av olika geometrier och är särskilt relevant för mikroflödessystem applikationer av dynamiska likheten.

Introduction

Under de senaste åren har betydande insatser fokuserat på utvecklar mikrofabricerade och lab-on-chip-enheter som kan minska kostnaderna och öka produktiviteten för kemiska beredningar och diagnostik för en rad applikationer. En av de viktigaste inslagen i ultrakalla enheter är trycket-driven transport av vätskor och upplöst koncentrationsfördelningen genom mikrokanaler. I detta sammanhang har det blivit allt viktigare att bättre förstå den kontrollerade leveransen av koncentrationsfördelningen på den hur provtagningsutrustningen skall. Särskilt kräver program såsom kromatografisk separation1,2 och mikroflödessystem flöde injektion analys3,4 bättre kontroll och förståelse för lösningens leverans. Forskare i mikrofluidik studerat och dokumenterat av kanalens tvärsnittets form påverkar lösningens sprida5,6,7,8, och rollen av kanalens bildförhållande 9 , 10.

Analytiska och numeriska studier av koncentrationsgradient sprider sig längs kanaler har nyligen leda till identifiering av en korrelation mellan röret tvärsnittsdata geometri och formen på den distribution9,10. På tidiga tidsskalor, fördelningen starkt beror på geometri: rektangulära rör bryta symmetrin nästan omedelbart, medan elliptiska rör behåller sin ursprungliga symmetri mycket längre9. Däremot, framåt i längre tidsskalor asymmetrierna i lösningens fördelningen inte längre skilja ellipser från rektanglar, och ställs enbart av den tvärsnittsdata bildförhållande λ (förhållandet mellan kort och långsida). Med tanke på ”rör” av elliptiskt tvärsnitt och ”kanaler” för rektangulära tvärsnitt, förutsägelser från numeriska simuleringar och asymptotiska analys var referensanvändare med laboratorieexperiment. Tunna kanaler (bildförhållande << 1) producera koncentrationsfördelningen anländer med skarpa fronter och avsmalnande svansar, medan tjocka kanaler (bildförhållande ~ 1) presenterar motsatt beteende10. Denna robusta effekt är relativt okänslig för de ursprungliga villkoren och kan användas för att välja koncentrationsgradient distribution profil krävs för alla program.

Det beteende som beskrivs ovan för sortering tunn jämfört med tjocka domäner händer innan den klassiska ”Taylor dispersion” regimen har nåtts. Taylor dispersion refererar till förbättrade fördelningen av passiv koncentrationsfördelningen i laminärt flöde (stabil vid låga Reynoldstal, Re) med en marknadsförda effektiv diffusivitet, omvänt proportionell mot lösningenss molekylär diffusivitet κ11. Denna förbättring observeras först efter långa, diffus tidsskalor, när lösningens har spritt ut över kanalen. Sådan diffus tidsskalan definieras i termer av den karakteristiska längd skalan en av geometri, som td = en2/κ. Péclet numret är en nondimensional parameter som mäter den relativa betydelsen av vätska advektion diffusion effekter. Vi definierar parametern när det gäller den kortaste längd skalan som Pe = Ua/κ, där U är den karakteristiska flöde hastigheten. (Reynoldstal kan definieras i termer av antalet Péclet som Re = Pe κ/ν, där ν är den kinematiska viskositeten av vätska.) Typiska Péclet talvärden för mikroflödessystem program12 varierar mellan 10 och 105, med molekylära diffusivities alltifrån 10-7 till 10-5 cm2/s därför, med tanke på flödet hastighet och längd skalor av intresse, det är viktigt att förstå beteendet hos koncentrationsfördelningen för intermediär-till långa tidsskalor (i förhållande till diffus tidsskalan), väl förbi de inledande observationerna av geometri-driven beteende och till de Cross-Country-section-driven regimerna universal för en stor klass av geometrier.

Med tanke på intresset för mikroflödessystem applikationer, valet av storskaliga experiment kan på först verkar onaturligt. De experiment som rapporteras häri är i millimeter skala, inte på den hur provtagningsutrustningen skall som i sann mikroflödessystem enheter. Dock samma fysiska beteenden präglar både system och en kvantitativ studie av de relevanta fenomen kan fortfarande uppnås genom korrekt skalning styrande ekvationer, precis som skalenliga modeller av flygplan bedöms i vindtunnlar vid utformningen fas. Särskilt garanterar matchande relevanta nondimensional parametrar (såsom de Péclet nummer för vårt experiment) den experimentella modellen anpassningsförmåga. Arbetar på sådana större skalor, erbjuder samtidigt bibehålla en laminär tryck-driven flöde, flera fördelar jämfört med en traditionell hur provtagningsutrustningen skall setup. I synnerhet den utrustning som krävs för att tillverka, utföra och visualisera nuvarande experiment är lättare att manövrera och mindre kostsamma. Dessutom minskas andra gemensamma utmaningar att arbeta med mikrokanaler, såsom frekventa igensättning och förbättrad påverkan av tillverkningstoleranser, med större setup. En annan möjlig användning för detta experiment är för studier av residence tid distribution (FoTU) i laminärt flöden13.

De asymmetrier som uppstår i lösningens fördelningen nedströms kan analyseras via sina statistiska stunder; snedheten, som definieras som det centrera, normaliserade tredje ögonblicket, är särskilt lägsta beställning integrerad statistik mäta asymmetrin i en distribution. Tecken på snedheten anger oftast formen av distribution, dvs. om det är tyngdpunkten (negativa skewness) eller slutintensiv (positiv skewness). Fokusera på proportioner av kanaler, finns det en tydlig korrelation av tunna geometrier med startintensiv distributioner, och tjocka geometrier med slutintensiv distributioner10. Dessutom kan en kritisk bildförhållande separera dessa två motsatta beteenden beräknas för både elliptiska rör och rektangulära ventilationskanaler. Sådan crossover bildförhållanden är påfallande lika för standard geometrier, i synnerhet λ * = 0.49031 för rör, och λ * = 0.49038 för kanaler, suggestiv för den teori10allmängiltighet.

Experimentella inställning och metod som beskrivs i detta dokument används för att studera fördelningen av en tryck-driven passiva solute i laminar vätska rinner hela glas kapillärer av olika tvärsnitt. Enkelheten och reproducerbarhet av experimentet definierar en robust analysmetod för att förstå sambandet mellan en rörets geometriska tvärsnitt och den resulterande formen av injicerade koncentrationsgradient distributionen när de transporteras nedströms. Den metod som diskuteras i detta arbete har utvecklats för att lätt jämföra matematiska och numeriska resultaten i fysiska laboratoriemiljö.

En enkel procedur som experimentella beskrivs som belyser den slutgiltiga roll som en fluidic kanalens tvärsnitts-bildförhållande fastställa formen på en koncentrationsgradient distribution nedströms. Den experimentella installationen kräver en programmerbar sprutpumpen att producera ett laminärt stadigt flöde, släta glas rör av olika tvärsnitt, en andra spruta pump för att injicera diffuserande lösningens (t.ex. fluorescein färgämne) in i den omgivande laminärt flöden, och UV-A ljus och en kamera att spela in koncentrationsgradient utvecklingen. CAD-filerna tillhandahålls för alla anpassade delar av installationen och sådana filer kan användas på 3D-print den experimentella delar före montering.

Protocol

1. Förbereda delarna att bygga den experimentella setup

  1. Utnyttja de 3D CAD-ritningar bifogas (.stl-format) till 3D-print en injektor post, en reservoar, en sexkantig kontakt och två plattor som ska användas som fästen för rören (två för varje geometri).
    Obs: Alternativt, vissa delar av installationen kan vara laserskuren. I denna rapport, torget tjocka röret har monterats med laserskurna plattor, medan den rektangulära tunna röret har monterats med 3D-tryckt plattor.
  2. Få släta glas kapillär rör av önskad geometri.
    Obs: I denna rapport, två rör geometrier används: 30 cm långa röret med fyrkantiga tvärsnitt-inre tvärsnitt 1 x 1 mm och tjocklek 0,2 mm; 30 cm långa röret med rektangulärt tvärsnitt-inre tvärsnitt 1 x 10 mm och tjocklek 0,7 mm. Fyrkantiga röret benämns hädanefter tjocka röret, medan rektangulära röret kallas det tunna röret.

2. Montering av den experimentella setup

  1. Avlyssning av 3D-tryckta delar
    1. Tryck injektor inlägget på båda sidor med en 1/8 ”(0,32 cm) NPT tap där de injektionsnål och färgämne ingång kommer att installeras. Tryck på reservoaren i ryggen med ett 10-32 Tryck där dränerande röret kommer att installeras.
    2. Tryck på de fyra skruvhålen med en 6-32-tryck på framsidan av reservoaren. Tryck på den sexkantiga connector pjäsen på toppen och botten med ett 6-32-tryck.
  2. Förbereda de gängade 3D-tryckta delarna
    1. Injektor inlägg
      1. Täcka trådarna i en taggtråd slang montering med PTFE tätningsband. Skruva förberedd montering på bakre hålet av injektor inlägget. Skär en 30 cm lång bit av plaströr (innerdiameter 3.30 mm). Infoga röret på slang adaptern.
      2. Täcka trådarna i rostfritt stål tubens nålen (ytterdiameter 0.71 mm) med PTFE tätningsband. Skruva fast rostfritt stål tubens injektionsnålen på främre (stor) hålet på injektor inlägget.
    2. Reservoar
      1. Täcka trådarna i en små hullingar slang montering med PTFE tätningsband. Skruva förberedd montering på den bakre hål av reservoaren (mindre hål).
      2. Skär en 30 cm lång bit av plaströr (innerdiameter 3.30 mm). För in röret på slang adaptern. Stäng den andra änden av röret med en liten mössa.
        Obs: Detta kommer att tömma systemet för behållaren.
      3. Placera en gummi O-Ring (Oljebeständig Buna-N O-Ring, 1/16 ”(0.16 cm) bredd i bråkdelar, Dash nummer 016) i cirkulär lågkonjunkturen på röret sida av reservoaren.
    3. Sexkantiga connector
      1. Täcka trådarna i en små hullingar slang montering med PTFE tätningsband. Skruva förberedd montering på nedersta hålet av sexkantiga kontakten.
      2. Skär en 30 cm lång bit av plaströr (innerdiameter 3.30 mm). Infoga röret på slang adaptern.
      3. Täcka en slang adapter med tätning PTFE-tejp. Se till att täcka slangen adaptern går mot trådarna.
      4. Skär en 4 cm lång bit av plaströr (innerdiameter 3.30 mm). Infoga röret på slang adaptern.
  3. Laga röret
    1. Fördela ett tunt lager av RTV gummi tätningsmedel 2 mm från vardera änden av röret. Sprida tätningsmedlet jämnt runt utsidan av röret och kontrollera inte att hindra röret tillgång med tätningsmedel.
    2. Montera röret på 3D-tryckt plattorna genom att sätta det noga i förskurna hålen på nätverkskorten för 3D-tryckt pipe. Se till att skjuta röret med minst 2 mm så att tätningsmedlet längs varje sida kontakter med plattorna.
    3. Försiktigt sprida tätningsmedlet på kanten av plattan så att röret blir förseglade i utskärningen. Vänta minst 12 h för tätningsmedlet att fullt vulkanisera således tätning röret på plattorna.
  4. Mäta 0.40 g fluorescein pulver att förbereda dye lösningen. Späd pulver till 0.50 L destillerat vatten för att få önskad färg koncentration (0.80 HB koncentration).
    Obs: Diffusivitet av fluorescein i vatten beräknas genom att utföra en minstakvadratmetoden passar för analytiska uttryck för andra tillfället Fördelningens cross-sectionally i genomsnitt tracer i cirkulära rör geometri14 till den experimentella mätning av samma kvantitet. Den molekylära diffusionskoefficienten uppskattas till κ = 5,7 x 10-6 cm2/s, överensstämmer med tidigare publicerade värden av diffusivitet av fluorescein i rent vatten.
  5. Montering
    1. Sprutpumpen en setup
      1. Fyll en 12 mL Plastspruta med en gummikolven med destillerat vatten. Infoga en plast tubens spets på sprutan. Montera sprutan på sprutpumpen A. Anslut sprutan till 30 cm långa röret infogas längst ned på den sexkantiga kontakten.
      2. Fyll en 1 mL spruta av plast med en gummikolven med destillerat vatten. Montera sprutan på sprutpumpen A. Cut en 30 cm lång bit av plaströr (innerdiameter 3.30 mm). Bifoga det till en 1 mL spruta av plast.
        Obs: Båda sprutor fyllda med destillerat vatten är monterade på sprutpumpen A. Eftersom pumpen är aktiverad, matas vatten från både sprutor. Den första att användas är 12 mL sprutan, så 1 mL sprutan måste anslutas till ett dränerande rör att undvika vattnet spill. Detta steg är inte nödvändigt för tunn rektangulär pipe.
    2. Injektor Setup
      1. Fyll en 3 mL spruta av plast med en gummikolven med fluorescein lösningen. Infoga en plast tubens spets på sprutan.
      2. Fäst slangen ansluten på baksidan av injektorn på dye sprutan.
      3. Injektor befattningen med dye-lösningen genom att manuellt injicera dye genom sprutan medan du håller injektor inlägget horisontellt (dvs. med nålen orienterad uppåt och över sprutan). Håll trycka på sprutan tills injektorn är helt full av färgämne och ingen luft är instängd.
      4. Montera sprutan på sprutpumpen B. klämma injektorn post till kanten av bänken lab på ett sätt som det kan nås av röret anslutet till sprutpumpen.
      5. Sätt små brickor på fyra långa skruvar (rostfritt stål Pan huvud Phillips maskinskruvar 6-32 gänga, 2-1/4 ”(5,76 cm) längd). Sätt in de fyra skruvarna i de fyra hålen kring nålen.
        Obs: Kontrollera att skruven är på baksidan av injektor inlägget (på samma sida som röret anslutet till färgämne sprutan).
    3. Sexkantiga connector
      1. Placera två O-ringar (Oljebeständig Buna-N o-ringen, 1/16 ”(0.16 cm) bredd i bråkdelar Dash nummer 016) i de cirkulära utstansningar på varje sida av sexkantiga kontakten.
      2. Fäst sexkantiga sändaren injektor inlägget genom att justera dess hål till de fyra skruvarna och infoga det på dem. Se till att ha sidan med större hål inför injektor inlägget. Kontrollera och se till att o-ringen inte rör malplacerad när fastklämd mellan de två delarna.
    4. Pipe
      1. Bifoga en av slut-plattorna ansluten till röret till sexkantiga kontakten genom att justera dess hål till de fyra skruvarna och infoga det på dem. Var uppmärksam på nålen som behöver ange röret som det är att vara monterad.
      2. Fast de fyra långa skruvarna för att komprimera ihop injektorn, sexkantiga kontakten och pipe-adapterplattan genom att fästa fyra 6-32 rostfria muttrar till slutet av de långa bultarna. Se till att O-ringarna inte flyttar sin plats när fastklämd mellan delarna.
      3. Bifoga den motsatta änden av röret till reservoaren med fyra korta skruvar och brickor (rostfritt stål Pan huvud Phillips maskinskruvar 6-32 gänga, 1/2 ”(1,27 cm) längd). Kontrollera att o-ringen inte rör malplacerad när komprimeras mellan de två delarna.
    5. Klämma reservoaren till bordet. Kontrollera att reservoaren är i linje med injektor inlägget att inte böja röret.
    6. System för utvinning: infoga en plast tubens spets i röret anslutet till toppen av sexkantiga kontakten. Fäst en 3 mL spruta plast spets.
      Obs: Denna spruta används för att extrahera eventuella luftbubblor som fastnar i systemet.
    7. Ljus och kamera
      1. Plats två 61 cm långa UV-A tube lampor på varje sida av den experimentella setup.
        Obs: Det finns ett särskilt utformade spår på varje sida av både spridare och reservoar. Experimentet ska köras i mörker med UV-A tube belysningen påslagen.
      2. Placera en kamera med minneskort ovanför den experimentella setup vänd nedåt.
        Notera: Kameran skall placeras minst 1 m över röret. På detta sätt kommer att ramen omfatta hela pipe längd. En DSLR-kamera användes med en lins med reglerbar brännvidd, 24-120 mm.
      3. Programmera kameran använder en fjärrutlösare för att ta bilder varje 1 s med bländare 5.6f, slutartid 5 och ISO 200.

3. Experimentell kör

  1. Setup
    1. Fyll behållaren med destillerat vatten till en nivå något över röret. Fyll röret med destillerat vatten genom att trycka på sprutpumpen. Slå på UV-A tube lampor och dra mörkläggningsgardiner.
    2. Kör programmerbara sprutpumpen A att spola röret av eventuella kvarvarande färgämne.
    3. Ta en enda referensbild av röret fylld med ren destillerat vatten.
      Obs: Detta är hänvisningen skott som kommer att användas i databehandlingen steg senare. Denna bild måste tas i mörker i villkoren så lika som möjligt till den experimentella kör.
    4. Byta slangen som ansluter till injektor inlägget på 1 mL sprutan monterad på sprutpumpen A. Anslut 12 mL sprutan till dränerande röret (tidigare ansluten till 1 mL sprutan).
      Obs: Detta steg är inte nödvändigt för tunn rektangulär pipe.
  2. Ursprungliga skick
    1. Injicera en 1 mm tjock klick av färgämne (3 mm tjock för tunna rektangulära rör) i röret genom att köra analog sprutpumpen B.
      Obs: Detta steg skapar dye inledande villkoret. Mängden färgämne injiceras beror på geometri av röret används. Det tunna röret kräver en större mängd färgämne eftersom dess tvärsnittsarea är större. Innan den experimentella kör, färgen kommer att behöva diffus över tvärsnittet och injicera en större mängd färgämne säkerställer att det är tillräckligt ljust för att fångas i fotografier även efter det har spritt ut.
    2. Programmet sprutpumpen A att injicera destillerat vatten vid mycket långsam flödet klassar av 0.193 mL/h för tjocka fyrkantiga röret (flödet är 1.93 mL/h för tunn rektangulär pipe). Köra sprutpumpen för 5 min att tillåta bolus färgämnet transporteras ner i röret från nålen.
      Obs: Efter 5 min, färgen bör vara ca 1 cm från nålen. Ökningen i flödet av en storleksordning för tunna röret är eftersom volymen av tunna röret är 10 gånger det tjocka röret.
    3. Dra dye sprutan bakåt manuellt, se till att färgen inte når nålen.
      Obs: Detta kommer att säkerställa att det finns destillerat vatten på slutet av nålen så att inga fler färgämnet kommer att spridas in i röret under experimentella körning.
    4. Vänta en tid tw > t *d för dye bolus att sprida över ytan av röret.
      Obs: Diffus tid t *d = b2/κ anser den karakteristiska längd b vara halva den länge tvärsnittsdata sidan. Detta sätt att beräkna väntetiden är generaliserbart till ett tvärsnitt med ett lämpligt val av b. För våra representativa resultat var väntetiden 15 min för tjocka fyrkantiga röret och 15 h för tunn rektangulär pipe.
  3. Flöde
    1. Programmet sprutpumpen A till önskad flödet klassar av 1.93 mL/h för tjocka fyrkantiga röret och 19,3 mL/h för tunna rektangulära röret.
    2. Starta sprutpumpen och fjärrkontroll avtryckaren på kameran samtidigt. Köra experimentet i 5 min, med ett intervall mellan bilderna 1 s.
    3. Aktivera rummet ljus och ta en bild av en härskare som placeras på samma höjd som röret och parallellen till den.
      Obs: Detta hjälper bestämma längd skalan (pixel/mm) används i databehandling.

4. databearbetning

  1. Extrahera minneskortet från kameran och hämta data till en dator där bildbehandling programvara används för att analysera den.
  2. MATLAB analys
    1. Först subtrahera referens bild skott (knäppte i steg 3.1.3) från den första experimentella bilden.
    2. Beskära bilden längs övre och nedre kanterna på röret. Se till att rotera bilden om röret inte är i linje med ramen.
    3. Summan intensitet läsningen av den gröna kanalen vertikalt i den resulterande bilden.
      Obs: Detta är proportionell mot total tvärsnittsarea dye intensiteten som en funktion av längden längs röret.
    4. Konvertera enheter för längd från pixlar till mm med hjälp av den fysiska längd skalan från kalibrering bilden (se steg 3.3.3).
    5. Upprepa för alla återstående bilder. Detta resulterar i en tidssekvens av kurvor mäter den totala dye koncentrationen längs längden av röret.

Representative Results

Den experimentella setup efter montering visas i figur 1. Bilder som produceras i MATLAB Visa experimentella data över bearbetade utvecklingen av koncentration kurvan (figur 2) för tre icke-dimensionell gånger. Vi har verifierat att det finns en linjär relation mellan spårämnes intensitet och koncentration. Form av distribution ändringarna som tiden går och färgämne bolus flyttar nedströms. Figur 2 visar sådan evolution vid tunn rektangulär kanal geometri. Inledande dye fördelningen är smala och symmetrisk (Gaussian-liknande med avseende på längsgående riktning och nästan enhetlig i tvärsnitt, figur 2 kvar), men symmetrin bryts nästan omedelbart när bakgrunden flödet startar. Fördelningen bryter symmetrin av presenterar en skarp front och långa avsmalnande svansar (figur 2, mitten och höger).

Experimentella resultat bekräftas av Monte Carlo-simuleringar utförts på den ursprungliga satsen för distribution och flöde (figur 3). Monterade värdet för den dye diffusivitet κ var bestäms i ett oberoende experiment (steg 2,4 i protokollet) och används i denna jämförelse. Monte Carlo-metoder används ofta för att simulera utvecklingen av advektion-diffusion problem som involverar komplexa geometrier som den gräns villkoren (homogen Neumann i detta fall) kan vara helt enkelt input som biljard som speglar regler. Tillvägagångssättet är att provet genomföranden av den motsvarande stokastiska differentialekvation underliggande advektion-diffusion ekvationen i nondimensional form:

Equation 1

där T(x,y,z,t) är tracer distribution, τ är den nondimensional tiden normaliseras av td, x är längsgående rumsliga koordinaten, y är kort tvärgående koordinaten och z är lång tvärgående koordinaten, alla normaliserade av kortsidan en. Den vätskeflöde u(y,z) är laminär steady state lösningen på Navier-Stokes ekvationer med nej-glida randvillkor (inget flöde på väggen), driven av en negativ tryckgradienten. En Gaussisk inledande data i röret längsgående riktning med en önskad varians kan erhållas genom att betrakta endast diffusion (Pe = 0) och utvecklas partiklarna för önskad tid att matcha bredden på den inledande försöksdata9,10 . Dessa representativa resultat erhölls med hjälp av flödet klassar värden anges i protokollet, men vi förväntar oss att de lastning fenomen observerade för att hålla i allmänhet för laminär regimen10 (figur 3).

Figure 1
Figur 1 : Experimentell setup. (A) diagram av den experimentella setup. Denna siffra har ändrats från Aminianet al. 10. (B) Presentation av den faktiska installationen. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Figure 2
Figur 2 : Ögonblicksbilder av bearbetade data vid olika tillfällen. Översta raden: foto av färgämne koncentrationen sprids längs tvärsnitt av röret observerades normalt lång tvärsnittsdata riktning öka icke-dimensionell gånger. Den vertikala axeln har skalats 5 gånger för tydlighetens skull. Botten: intensiteten av färgämne koncentrationen beräknas summera längs långa tvärsnittsdata riktning. Toppvärdet är normaliserat. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Figure 3
Figur 3 : Jämförelse av koncentrationsfördelningen mellan Monte Carlo-simulering och experiment. Utvecklingen av cross-sectionally i genomsnitt dye koncentrationen längsgående längs röret visas på två ögonblickar i tid: τ = 0,15 och τ = 0,30. De streckade linjerna är simuleringsresultat, medan de heldragna linjerna representerar experimentella data. Överst: jämförelse i tjock (torg) kanalen; botten: jämförelse i tunna (rektangulär) kanal. Området under varje kurva är normaliserat en och x = 0 motsvarar centrera av den inledande kontakten av färgämne. Denna siffra har ändrats från Aminianet al. 10. vänligen klicka här för att visa en större version av denna siffra.

Kompletterande fil 1 . Ingår CAD-ritningar av 3D sexkantig Connector (hex_connector_3D.STL)

Kompletterande fil 2 . Ingår CAD-ritningar av 3D injektor Post (injector_post_3D.STL)

Kompletterande fil 3 . Ingår CAD-ritningar av 3D reservoar (reservoir_3D.STL)

Kompletterande fil 4 . Ingår CAD-ritningar av 3D tjocka röret plåtar (plate_thick_3D.STL)

Kompletterande fil 5 . Ingår CAD-ritningar av 3D tunna röret plattor (plate_thin_3D.STL)

Discussion

Efter injektion färgämne in i röret, transporteras bolus bort från injektionsnålen med ett jämnt flöde. Då, är det nödvändigt att vänta tillräckligt länge för färgen att sprida över tvärsnittet av kanalen. På så sätt en enhetlig Gaussian-liknande fördelning erhålls och kommer att fungera som det första villkoret för experimentet. Därmed skapas ett laminärt bakgrund flöde med programmerbara sprutpumpen. Den experimentella kör varar i 5 min med bilder tagna varje sekund.

De flesta vanliga problem i installationen kommer från anslutningen av delarna och rören. De olika 3D-tryckta delarna behöver tätas ordentligt när anslutna för att undvika läckage. Glas rören är mycket ömtåliga och måste hanteras och installeras med omsorg.

Ett problem som vi stött på när övergår från tunna rektangulära röret till tjocka fyrkantiga röret var relaterad till det faktum att röret volymen minskade med en faktor på 10. För att upprätthålla samma tvärsnittsarea Genomsnittligt flöde hastighet med den monterade 12 mL spruta, kolven hastigheten i sprutpumpen A skulle ha behövt vara extremt lågt. Denna programmerad hastighet, kolven hastigheten var inte enhetligt längre och ett stadigt flöde kan inte garanteras under hela den experimentella kör. Därför bytte vi till en mycket mindre 1 mL-spruta när du arbetar med tjocka fyrkantiga röret i steg 2.5.1.

Också, bör en kontrollera att genomsnittliga intensiteten längs den vertikala dimensionen av röret i den ursprungliga skick är ungefärligt enhetliga. Om så inte är fallet, en filtrerande mask måste tillämpas över alla ramar att ta hänsyn till denna diskrepans.

Den minst repeterbara delen av experimentet är färgämnet injektionen (och följaktligen bredden på den inledande utdelningen). Som illustreras tidigare, är det inte en oro för att matcha med de Monte Carlo-simuleringarna, som experimentella inledande villkoret kan återskapas med hjälp av analys av första fotografiet. Att färgämnet injektion och åtföljande manuell återkalla kanske inte alltid ger färgämnet pluggar av exakt samma bredd. Särskild försiktighet måste tillämpas när du konfigurerar inledande dye bolus. Experimentet blir mer repeterbar som forskare få erfarenhet i denna del av protokollet, men framtida förbättringar kunde säkerligen göras.

När man jämför setup med mikroflödessystem enheter, den enda parametern som visas i den styrande ekvationen när lämpligt nondimensionalized är de Péclet nummer Pe om spårämne är passiv, är dvs tracer evolutionen okopplade från flödet. Dynamiska likheten är implicit i antagandet av låga Reynolds (Re << 1) som säkerställer stabil laminärt flöden u(y,z). Dessa två parametrar ställer full likheten mellan mikroflödessystem uppställningar och skalorna i vårt experiment. I praktiken begränsar den fysiska längden av röret endast de nondimensional gånger vi kan säkert nå med våra setup. För mycket sena icke-dimensionell tider, kan nödvändiga längden av röret bli oöverkomligt lång för ett fast Péclet nummer i denna storskaliga inställning.

En uppenbar begränsning av detta experimentellt protokoll är att insamlade data är en projicerad 2D representation av 3D-geometri som bilderna är tagna uppifrån och ned på röret. Den aktuella processen tillåter endast för att erhålla utvecklingen av cross-sectionally i genomsnitt dye distribution. Att få en fördelning som definieras på varje plats i röret istället för på dess tvärsnittsarea genomsnittet och jämförelse med teoretiska och numeriska prognoser är föremål för pågående forskning.

Alla experiment delar har tekniska ritningar tillgängliga för nedladdning som gör installationen lättillgänglig och anpassningsbara av alla intresserade forskare. Bygger på de aktuella resultat, används samma inställningar för att studera mer komplexa och outforskade pipe geometrier samt olika flöde regimer.

Disclosures

Författarna har något att avslöja.

Acknowledgments

Vi erkänner att finansiering av Office för marin forskning (grant DURIP N00014-12-1-0749) och National Science Foundation (bidrag RTG DMS-0943851, CMG ARC-1025523, DMS-1009750 och DMS-1517879). Dessutom bekräftar vi arbetet av Sarah C. Burnett som hjälpte till att utveckla en tidig version av experimentella inställning och protokoll.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
Flourescein Dye Flinn Scientific  LOT: 118362       CAS NO: 518-47-8
PhD ULTRA Hpsi Syringe Pump Harvard Apparatus 703111 programmable digital syringe pump
Compact Infusion Pump Model 975 Harvard Apparatus 55-1689
Form 2 SLA 3D Printer Formlabs 100-240
Glass pipes VitroCom 4410 and 8100
PTFE sealing tape Teflon 4934A12
PVC tubing (1/8" ID) McMaster 5231K144 5 Foot Length
Reusable Stainless Steel Dispensing Needle 22 Gauge, .016" ID, .028" OD, 1/8" NPT Thrd, 2" Lg  McMaster 7590A45  1 Required
RTV silicone rubber sealant McMaster 74945A69
Plastic Syringe Manual, w/ Luer Lock Connection, .34 oz Capacity, Packs of 10  McMaster 7510A653  1 required
Plastic Syringe Manual, w/ Luer Slip Connection, .034 oz Cap, Packs of 10  McMaster 7510A603  1 required
Plastic Syringe Manual, w/ Luer Lock Connection, 0.1 oz Capacity, Packs of 10  McMaster 7510A651  2 required
Plastic dispensing tip McMaster 6699A1  3 required
6" C-Clamps McMaster 5133A18 2 required
Type 18-8 Stainless Steel Flat Washer Number 6 Screw Size, 0.156" ID, 0.312" OD, Packs of 100  McMaster 92141A008  8 required
18-8 SS Pan Head Phillips Machine Screw 6-32 Thread, 2-1/4" Length, Packs of 50  McMaster 91772A167  4 required
Oil-Resistant Buna-N Multipurpose O-Ring 1/16 Fractional Width, Dash Number 016, Packs of 100  McMaster 9452K6  3 required
Type 18-8 Stainless Steel Hex Nut 6-32 Thread Size, 5/16" Wide, 7/64" High, Packs of 100  McMaster 91841A007  4 required
18-8 SS Pan Head Phillips Machine Screw 6-32 Thread, 1/2" Length, Packs of 100  McMaster 91772A148  4 required
24" Black Light Fixture with bulb American DJ B0002F5544 2 required
DSLR camera  Nikon  D300
24-120 mm lens Nikon 2193
Remote programmable trigger Nikon 4917 remote programmable trigger
Memory Card SanDisk  SDCFX-032G-E61
Metric ruler McMaster 20345A35

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Dutta, D., Leighton, D. T. Jr Dispersion in Large Aspect Ratio Microchannels for Open-Channel Liquid Chromatography. Anal. Chem. 75 (1), 57-70 (2003).
  2. Blom, M. T., Chmela, E., Oosterbroek, R. E., Tijssen, R., van den Berg, A. On-Chip Hydrodynamic Chromatography Separation and Detection on Nanoparticles and Biomolecules. Anal. Chem. 75 (24), 6761-6768 (2003).
  3. Betteridge, D., Fields, B. Construction of pH Gradients in Flow-Injection Analysis and Their Potential Use for Multielement Analysis in a Single Sample Bolus. Anal. Chem. 50 (4), 654-656 (1978).
  4. Trojanowicz, M., Kołacińska, K. Recent advances in flow injection analysis. Analyst. 141, 2085-2139 (2016).
  5. Ajdari, A., Bontoux, N., Stone, H. A. Hydrodynamic Dispersion in Shallow Microchannels: The Effect of Cross-Sectional Shape. Anal. Chem. 78 (2), 387-392 (2006).
  6. Dutta, D., Ramachandran, A., Leighton, T. D. Jr Effect of channel geometry on solute dispersion in pressure-driven microfluidic systems. Microfluid Nanofluid. 2 (4), 275-290 (2006).
  7. Bontoux, N., Pépin, A., Chen, Y., Ajdari, A., Stone, H. A. Experimental characterization of hydrodynamic dispersion in shallow microchannels. Lab Chip. 6, 930-935 (2006).
  8. Vedel, S., Bruus, H. Transient Taylor-Aris dispersion for time-dependent flows in straight channels. J. Fluid Mech. 691, 95-122 (2012).
  9. Aminian, M., Bernardi, F., Camassa, R., McLaughlin, R. M. Squaring the Circle: Geometric Skewness and Symmetry Breaking for Passive Scalar Transport in Ducts and Pipes. Phys. Rev. Lett. 115, 154503 (2015).
  10. Aminian, M., Bernardi, F., Camassa, R., Harris, D. M., McLaughlin, R. M. How boundaries shape chemical delivery in microfluidics. Science. 354 (6317), 1252-1256 (2016).
  11. Taylor, G. I. Dispersion of soluble matter in solvent flowing slowly through a tube. P Roy Soc Lond A Mat. 219 (1137), 186-203 (1953).
  12. Stone, H. A., Stroock, A. D., Ajdari, A. Engineering Flows in Small Devices: Microfluidics Toward a Lab-on-a-Chip. Annu. Rev. Fluid Mech. 36, 381-411 (2004).
  13. Davis, M. E., Davis, R. J. Fundamentals of chemical reaction engineering. , McGraw-Hill Higher Education. New York, NY. (2003).
  14. Barton, N. On the method of moments for solute dispersion. J. Fluid Mech. 126, 205 (1983).

Tags

Engineering fråga 135 passiv tracer advektion mikrofluidik diffusion symmetri bryta skevhet Monte Carlo experimentell strömningsmekanik
Diffusion av passiv spårämnen i Laminar skjuvning flöde
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Aminian, M., Bernardi, F., Camassa,… More

Aminian, M., Bernardi, F., Camassa, R., Harris, D. M., McLaughlin, R. M. The Diffusion of Passive Tracers in Laminar Shear Flow. J. Vis. Exp. (135), e57205, doi:10.3791/57205 (2018).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter