无源示踪剂在层流剪切流中的扩散

本实验的总体目标是观察无源示踪剂在各种几何横截面的毛细管中的扩散。这种方法可以帮助回答小规模流体动力学领域的关键问题，例如化学品在层流和毛细管中的扩散。该技术的主要优点是制造简单且成本低廉，适用于任意横截面的毛细管。

虽然这种方法可以提供对小尺度层流动力学的见解，但由于动力学的相似性，它也可以应用于其他系统，例如微流体规模的实验。在获得理论结果并进行数值模拟后，我们首先尝试了这些实验。这些表明溶质扩散的不对称性与管道横截面几何形状之间存在关系。

在工作台上构建实验装置。该系统的一些组件是 3D 打印的，包括储液罐和配备注射针的注射器柱。还有一个六边形连接器和管道，其中发生流动。

管道几何图形是试验中的一个变量。这是本实验中使用的两个样本横截面。横截面的短边与长边的比率是变化的。

每根管道都有两个 3D 打印板，用于在设置中支撑它。该实验需要两个注射泵，其中一个是可编程的。对于液体，请准备好荧光素染料溶液和蒸馏水源。

要设置可编程泵，请在 12 毫升塑料注射器中加入蒸馏水。接下来，将塑料分配头插入注射器上。然后将注射器安装在注射泵中，并将一根 30 厘米长的软管连接到其尖端。

用分液头将荧光素染料溶液填充到 3 ml 塑料注射器中。手动推动注射器柱塞以填充注射器柱的内腔。当腔室完全装满且内部没有空气滞留时停止。

然后将注射器安装到第二个注射泵中。接下来，将注射器柱夹在实验室工作台上，使管子保持与注射器的连接。将四个带垫圈的长螺钉插入喷油器点胶针周围的四个孔中。

下一步是使用六边形连接器。识别连接器每侧的圆形切口，并在每侧放置一个 O 形圈。然后将六角连接器带到喷油器柱上，调整其方向，使其较大的孔面向喷油器柱，将其孔与四个螺钉对齐并插入螺钉。

完成后，确保 O 形圈没有移位。从注射泵中取出管子，将其连接到六角连接器底部的接头上。接下来，选择实验的管道几何图形。

在这种情况下，管道是横截面为 1 毫米 x 10 毫米的矩形管。在六角接头处，使用带有管道的端板，并确保注射针将进入管道。然后将从连接器伸出的螺钉插入端板。

现在获取水库。它应该有 O 形圈。将其放置在管道的另一端，并使用端板、螺钉和垫圈将管道连接到储液罐上。

再次确保 O 形圈保持在正确的位置。将储液罐与进样器柱对齐，并将其夹在工作台上。在六边形连接器的顶部插入一个带有塑料分配尖端的 3 毫升注射器。

为了收集数据，在管道的两侧放置两个 61 厘米长的 UVA 管灯。在管道上方布置一个摄像头，每秒拍摄一次管道的照片。首先用蒸馏水填充水箱。

它应该填充到略高于管道的位置。接下来按下 12 毫升蒸馏水注射器。这将使管道注满水。

打开 UVA 管灯，使房间变暗。用注射泵冲洗管道，然后拍摄充满纯蒸馏水的管道的单个参考图像。然后设置可编程泵以缓慢的速度注入水，但不要运行它。

推动染料注射器的柱塞。这将注入一团大约 3 毫米厚的溶液。然后运行可编程注射泵 5 分钟。

在此之后，推注远离针头。现在手动向后拉染料注射器柱塞。这会吸入水以确保染料不会到达针头。

等待染料团在管道的横截面上扩散。对于这种细管道，等待时间超过 12 小时。染料溶液需要注射，然后非常小心地拉回。

这些是协议中最微妙的步骤。如果发生错误，请再次启动该过程。练习使它更容易、更可重复。

建立初始条件后，使用慢速泵速研究流量。同时启动泵和摄像头。让它们都运行 5 分钟。

完成后，将尺子放在管道旁边并拍摄校准图像。实验中的图像在实验期间三个不同的无量纲时间位于推断的浓度曲线上方。这些数据适用于细管，对于细管，其管道横截面的短边与长边之比很小。

分布的形状随着染料团块向下游移动而变化。纵向上的初始高斯对称性很快就被打破了。蒙特卡洛模拟具有匹配的初始分布和流速，证实了两个不同无量纲时间的实验结果。

实线是实验数据，虚线是仿真结果。此比较适用于横截面短边与长边比率较小的细管。蒙特卡罗模拟还可以在粗管的情况下提供确认，其中横截面长度的比率接近 1。

请注意细管和粗管之间浓度演变的差异。随着时间的推移，细管的溶质具有尖锐的前端和逐渐变细的尾部。粗管具有相反的轮廓。

一旦掌握了这项技术，如果执行得当，可以在大约一个小时内完成。这不包括染料浓度在横截面上扩散的等待时间。在尝试此过程时，请务必记住在实验运行之前缓慢冲洗管道，并在创建初始条件时要格外小心。

观看此视频后，您应该对如何观察溶质在层流中通过任意横截面的毛细管的扩散有很好的了解。