利用磁共振成像量化混合过程

以下实验的总体目标是利用磁共振成像作为一种强大工具，用于评估混合过程及工艺设备。该目标通过在分流-重混静态混合器中合并两股液流来实现。通过选择合适的成像方案，可获得磁共振图像。

这些图像可用于表征混合器的性能。所获得的性能结果适用于个人护理产品相关应用，但该方法也可广泛应用于食品、化学品、生物质及生物流体等多种领域。相较于视频等其他技术，磁共振成像的主要优势在于能够对不透明材料进行可视化观察。

此外，该信息具有定量性，可计算组分浓度和混合程度。通过可视化混合过程，利用磁共振成像（MRI）将实测的空间浓度分布与计算所得的浓度分布进行详细比较，有助于验证计算流体动力学模拟结果及制造工艺。

SAR混合器由多个不同的板片嵌入一根PVC管中构成。每块激光切割板由聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）制成，厚度为1.59毫米。每块板上都有一个矩形键，用于将其沿一根丙烯酸棒对齐。

在PVC管中，塑料可能是透明或不透明的。这些板具有多种设计，上面有可供流体通过的开口。这些板以重复的模式放置在管道中，形成可产生混合效果的通道。

通过管板 S 流动的两种流体用于将进入重复单元的两种流体进行导流。其中一种流体在中心流动，另外两种流体分别在上下两侧流动，它们的相对流速比为 10 比 1。

接下来，流体在由八块C型板构成的开放通道中汇合。随后，通过八块I型板，流体在物理上被分隔成两个垂直通道。下一部分由16块独特的板组成，使每条流体通道逆时针扭转90度。然后流体流经八块板，将流体进一步分成两个水平通道。

重复的结构以八个开放式通道板结束。整体上，该结构在PVC管中重复了六次。组装一个流动系统，将碳棒溶液泵入串联的分流与重组式静态混合器，首先将混合器置于磁铁中。

该磁体是一个基于单特斯拉永磁体的成像波谱仪的组成部分，其峰值梯度强度为每米0.3特斯拉，并配备近似立方体的封闭腔体，可控制并记录测试流体的质量流量。此外，在混合器上游集成一个压力传感器以监测压力，并配备一个由四匝线圈绕制成的螺线管射频线圈，适用于圆柱形体积且紧密贴合PVC管。最后，两种不同的溶液分别连接至进样口。

在本实验中，所用溶液为含或不含氯化锰的卡波姆。通过将称量好的聚合物缓慢筛入搅拌容器中的去离子水中来配制卡波姆溶液。使用50%氢氧化钠溶液将卡波姆溶液中和至pH 7。

中和反应使聚合物在水中溶胀，从而达到溶液的最大黏度。为了形成凝胶，需配制第二种含有MR对比剂氯化锰的掺杂碳棒溶液。为表征流动行为或流变特性，可采用标准同轴圆筒几何结构，在流体温度为25°C的条件下测量剪切黏度。

在LA节律模式下，使用0.1至500帕斯卡的稳态剪切应力扫描，每十倍频程10个点，公差为5%。然后在LA对数模式下，以每十倍频程10个点，对频率从628至0.63弧度每秒进行应变测量。在选择成像参数时，我们需要考虑图像的总体信噪比，以及掺杂区域与开启区域之间的对比度和信号强度。

本实验中，我们选择了梯度回波序列，并选用了特定浓度的样品，以获得信号强度与浓度之间的线性关系。该磁共振序列未包含流动补偿。

为避免运动伪影，成像需在静止液体状态下进行，成像时间约为一到四分钟。重新定位混合器，以对不同轴向位置的区域进行成像。将混合管沿轴向穿过磁体，直至目标区域位于磁体中心的核磁共振线圈中心处。

然后重复成像过程。最后，通过图像分析流程分析磁共振数据，以记录各组分浓度的空间分布。在本研究中，两种溶液的实际理化性质无法区分。

该溶液的黏弹性特性表现出凝胶体系的特征，其储能模量大于损耗模量，且两者均相对恒定。损耗模量与储能模量之比在较高频率下随斜率增加，相应的相位滞后也呈现相同趋势，用于评估流动过程中黏性力相对于惯性力的贡献。雷诺数通过计算流体在平板间的平均流速得到。

这些值远小于1.0，表明粘性力占主导地位，超过了惯性力。因此，混合过程主要通过层流拉伸和剪切实现，而非湍流。为了展示利用磁共振成像（MRI）进行流动可视化的强大能力，以下结果选取了在不同轴向位置的图像。

SAR混合器有效地均匀分流，如第一、第二和第三混合段下游H型板图像所示。掺杂流体的条带数量在每个混合段中均倍增。改变图像值阈值可显示，掺杂流体的条带在每次通过该结构单元时均有所增加。

一系列图像展示了混合器中流体逆时针旋转90度的过程，说明了在穿过整个通道时，垂直流如何转变为水平流。在混合过程中，两股流体被多次分裂并重新组合。在进行这些测量时，重要的是要记住，测量时间应远短于分子扩散对组分浓度分布产生影响所需的时间。这些关于混合的实验测量对于检验计算流体动力学模拟中所用流体流变学本构模型的影响特别有用，同时也适用于测试分裂与重组合式混合器的性能。

观看本视频后，您应能充分理解如何利用磁共振成像技术研究静态混合器中的浓度分布。