La diffusione dei rivelatori passivi nel flusso laminare Shear

L'obiettivo generale di questo esperimento è quello di osservare la diffusione di traccianti passivi in tubi capillari di varie sezioni geometriche. Questo metodo può aiutare a rispondere a domande chiave nel campo della fluidodinamica su piccola scala, come la diffusione di sostanze chimiche nei flussi laminari e nei tubi capillari. Il vantaggio principale di questa tecnica è che è semplice ed economica da produrre e adatta per tubi capillari di sezione trasversale arbitraria.

Sebbene questo metodo possa fornire informazioni sulla dinamica del flusso laminare su piccola scala, può essere applicato anche ad altri sistemi come gli esperimenti su scala microfluidica, grazie alle somiglianze dinamiche. Abbiamo tentato questi esperimenti per la prima volta dopo aver ottenuto un risultato teorico ed eseguito simulazioni numeriche. Questi hanno suggerito una relazione tra le asimmetrie nello spargimento del soluto e la geometria della sezione trasversale del tubo.

Costruisci la configurazione sperimentale su una panchina. Alcuni componenti del sistema sono stampati in 3D, tra cui il serbatoio e il perno dell'iniettore dotato di un ago di iniezione. C'è anche un connettore esagonale e tubi, in cui avviene il flusso.

La geometria del tubo è una variabile dell'esperimento. Queste sono due sezioni trasversali campione utilizzate in questo esperimento. Il rapporto tra il lato corto e quello lungo della sezione trasversale è ciò che varia.

Ogni tubo ha due piastre stampate in 3D per supportarlo nella configurazione. L'esperimento richiede due pompe a siringa, una delle quali programmabile. Per i fluidi, tenere a portata di mano una soluzione di colorante di fluoresceina e una fonte di acqua distillata.

Per impostare la pompa programmabile, riempire una siringa di plastica da 12 millilitri con acqua distillata. Quindi inserire una punta di erogazione in plastica sulla siringa. Quindi montare la siringa nella pompa a siringa e collegare un tubo flessibile lungo 30 centimetri alla sua punta.

Riempire una siringa di plastica da tre millilitri con una punta di erogazione con la soluzione di colorante fluoresceina. Spingere manualmente lo stantuffo della siringa per riempire la camera interna del perno dell'iniettore. Fermarsi quando la camera è completamente piena e non c'è aria intrappolata all'interno.

Quindi montare la siringa in una seconda pompa a siringa. Quindi fissare il perno dell'iniettore al banco da laboratorio in modo che il tubo rimanga collegato alla siringa. Inserire quattro viti lunghe con rondelle nei quattro fori che circondano l'ago di erogazione dell'iniettore.

Il prossimo passo è lavorare con il connettore esagonale. Identificare l'intaglio circolare su ciascun lato del connettore e posizionare un O-ring in ciascuno di essi. Quindi portare il connettore esagonale al polo dell'iniettore, orientarlo in modo che il foro più grande sia rivolto verso il polo dell'iniettore, allineare i suoi fori con le quattro viti e inserire le viti.

Al termine, assicurarsi che gli O-ring non si siano spostati fuori posto. Prendi il tubo dalla pompa a siringa, collegalo al raccordo sul fondo del connettore esagonale. Quindi, selezionate la geometria del tubo per l'esperimento.

Il tubo in questo caso è un tubo con una sezione trasversale rettangolare di un millimetro per 10 millimetri. Sul connettore esagonale, utilizzare una piastra terminale con il tubo e assicurarsi che l'ago di iniezione entri nel tubo. Quindi inserire le viti che si estendono dal connettore nella piastra terminale.

Ora prendi il serbatoio. Dovrebbe avere il suo O-ring in posizione. Posizionarlo all'altra estremità del tubo e fissare il tubo al serbatoio utilizzando una piastra terminale, viti e rondelle.

Anche in questo caso, assicurarsi che gli O-ring rimangano nella loro posizione corretta. Allineare il serbatoio con il perno dell'iniettore e fissarlo al tavolo. Nella parte superiore del connettore esagonale inserire una siringa da tre millilitri con una punta di erogazione in plastica.

Per la raccolta dei dati, posizionare due luci a tubo UVA lunghe 61 centimetri su entrambi i lati del tubo. Predisporre una fotocamera sopra il tubo per scattare una foto del tubo ogni secondo. Inizia riempiendo il serbatoio con acqua distillata.

Dovrebbe essere riempito leggermente sopra il tubo. Quindi premere sulla siringa di acqua distillata da 12 millilitri. Questo riempirà il tubo d'acqua.

Accendi le luci del tubo UVA e oscura la stanza. Sciacquare il tubo con la pompa a siringa prima di scattare una singola immagine di riferimento del tubo riempito con acqua distillata pura. Quindi impostare la pompa programmabile per iniettare acqua a una velocità lenta ma non farla funzionare.

Spingere lo stantuffo della siringa del colorante. Questo inietta una cucchiaiata di soluzione di circa tre millimetri di spessore. Quindi far funzionare la pompa a siringa programmabile per cinque minuti.

Dopo questo il bolo è lontano dall'ago. Ora tirare manualmente lo stantuffo della siringa di colorante all'indietro. Questo aspira l'acqua per garantire che il colorante non raggiunga l'ago.

Attendere che il bolo del colorante si diffonda sulla sezione trasversale del tubo. Per questo tubo sottile il tempo di attesa è di oltre 12 ore. La soluzione colorante deve essere iniettata e poi tirata indietro con grande cura.

Questi sono i passaggi più delicati del protocollo. Se si verifica un errore, riavviare la procedura. La pratica lo rende più facile e ripetibile.

Una volta stabilite le condizioni iniziali, studiare il flusso utilizzando una velocità di pompaggio lenta. Avviare contemporaneamente la pompa e la fotocamera. Lasciali correre entrambi per cinque minuti.

Al termine, tieni un righello accanto al tubo e scatta un'immagine di calibrazione. Le immagini dell'esperimento sono al di sopra delle curve di concentrazione dedotte in tre diversi momenti non dimensionali durante l'esperimento. Questi dati si riferiscono a un tubo sottile, per il quale il rapporto tra i lati corti e lunghi della sezione trasversale del tubo è piccolo.

La forma della distribuzione cambia man mano che il bolo del colorante si sposta a valle. La simmetria gaussiana iniziale nella direzione longitudinale viene rapidamente interrotta. Le simulazioni Monte Carlo, con una distribuzione iniziale e una portata corrispondenti, confermano i risultati sperimentali in due diversi tempi adimensionali.

Le linee continue sono dati sperimentali e le linee tratteggiate sono i risultati della simulazione. Questo confronto è per un tubo sottile con un piccolo rapporto tra i lati corti e lunghi della sezione trasversale. Le simulazioni Monte Carlo forniscono anche una conferma nel caso di un tubo spesso, dove il rapporto tra le lunghezze della sezione trasversale è vicino a uno.

Si noti la differenza nell'evoluzione della concentrazione tra i tubi sottili e spessi. Nel tempo il tubo sottile ha soluto con una parte anteriore affilata e una coda affusolata. Il tubo spesso ha il profilo opposto.

Una volta padroneggiata, questa tecnica può essere eseguita in circa un'ora se eseguita correttamente. Ciò esclude il tempo di attesa per la diffusione della concentrazione di colorante attraverso la sezione trasversale. Durante il tentativo di eseguire questa procedura è importante ricordarsi di lavare lentamente il tubo prima della prova sperimentale e di prestare la massima attenzione quando si creano le condizioni iniziali.

Dopo aver visto questo video dovresti avere una buona comprensione di come osservare la diffusione del soluto nel flusso laminare attraverso tubi capillari di sezioni d'urto arbitrarie.