A difusão dos marcadores passivos em fluxo Laminar da tesoura

O objetivo geral deste experimento é observar a difusão de traçadores passivos em tubos capilares de várias seções transversais geométricas. Este método pode ajudar a responder a questões-chave no campo da dinâmica de fluidos em pequena escala, como o espalhamento de produtos químicos em fluxos laminares e tubos capilares. A principal vantagem desta técnica é que ela é simples e barata de fabricar e adequada para tubos capilares de seção transversal arbitrária.

Embora esse método possa fornecer informações sobre a dinâmica do fluxo laminar em pequena escala, ele também pode ser aplicado a outros sistemas, como experimentos em escala microfluídica, graças às semelhanças dinâmicas. Primeiro tentamos esses experimentos após obter um resultado teórico e realizar simulações numéricas. Isso sugeriu uma relação entre assimetrias no espalhamento de solutos e a geometria da seção transversal do tubo.

Construa a configuração experimental em uma bancada. Alguns componentes do sistema são impressos em 3D, incluindo o reservatório e o pino injetor equipado com uma agulha de injeção. Há também um conector hexagonal e tubos, nos quais ocorre o fluxo.

A geometria do tubo é uma variável no experimento. Estas são duas seções transversais de amostra usadas neste experimento. A proporção do lado curto para o longo da seção transversal é o que varia.

Cada tubo tem duas placas impressas em 3D para apoiá-lo na configuração. O experimento requer duas bombas de seringa, uma delas programável. Para fluidos, tenha uma solução de corante de fluoresceína pronta e uma fonte de água destilada.

Para configurar a bomba programável, encha uma seringa de plástico de 12 mililitros com água destilada. Em seguida, insira uma ponta de distribuição de plástico na seringa. Em seguida, monte a seringa na bomba da seringa e conecte uma mangueira de 30 centímetros de comprimento à sua ponta.

Encha uma seringa de plástico de três mililitros com uma ponta dispensadora com a solução de corante de fluoresceína. Empurre manualmente o êmbolo da seringa para encher a câmara interna do pino do injetor. Pare quando a câmara estiver completamente cheia e não houver ar preso no interior.

Em seguida, monte a seringa em uma segunda bomba de seringa. Em seguida, prenda o pino do injetor na bancada do laboratório para que o tubo permaneça conectado à seringa. Insira quatro parafusos longos com arruelas nos quatro orifícios ao redor da agulha dispensadora do injetor.

O próximo passo é trabalhar com o conector hexagonal. Identifique o recorte circular em cada lado do conector e coloque um O-ring em cada um. Em seguida, leve o conector hexagonal para o pino do injetor, oriente-o de forma que seu orifício maior fique voltado para o pino do injetor, alinhe seus orifícios com os quatro parafusos e insira os parafusos.

Quando terminar, certifique-se de que os anéis de vedação não tenham saído do lugar. Pegue o tubo da bomba de seringa, conecte-o ao encaixe na parte inferior do conector hexagonal. Em seguida, selecione a geometria da tubulação para o experimento.

O tubo, neste caso, é um tubo com uma seção transversal retangular de um milímetro por 10 milímetros. No conector hexagonal, use uma placa terminal com o tubo e certifique-se de que a agulha de injeção entre no tubo. Em seguida, insira os parafusos que se estendem do conector na placa final.

Agora pegue o reservatório. Deve ter seu O-ring no lugar. Coloque-o na outra extremidade do tubo e prenda o tubo ao reservatório usando uma placa final, parafusos e arruelas.

Novamente, certifique-se de que os anéis de vedação permaneçam na posição correta. Alinhe o reservatório com o pino injetor e clamp-o na mesa. Na parte superior do conector hexagonal, insira uma seringa de três mililitros com uma ponta dispensadora de plástico.

Para coleta de dados, coloque duas lâmpadas de tubo UVA de 61 centímetros de comprimento em cada lado do tubo. Providencie uma câmera acima do cano para tirar uma foto do cano a cada segundo. Comece enchendo o reservatório com água destilada.

Deve ser preenchido um pouco acima do tubo. Em seguida, empurre a seringa de água destilada de 12 mililitros. Isso encherá o cano com água.

Acenda as luzes do tubo UVA e escureça a sala. Lave o tubo com a bomba de seringa antes de tirar uma única imagem de referência do tubo cheio de água destilada pura. Em seguida, configure a bomba programável para injetar água em um ritmo lento, mas não a execute.

Empurre o êmbolo da seringa de corante. Isso injeta um montão da solução com aproximadamente três milímetros de espessura. Em seguida, execute a bomba de seringa programável por cinco minutos.

Depois disso, o bolo alimentar está longe da agulha. Agora puxe manualmente o êmbolo da seringa de corante para trás. Isso atrai água para garantir que o corante não atinja a agulha.

Aguarde até que o bolo de corante se difunda pela seção transversal do tubo. Para este tubo fino, o tempo de espera é superior a 12 horas. A solução de corante precisa ser injetada e depois puxada para trás com muito cuidado.

Estas são as etapas mais delicadas do protocolo. Se ocorrer um erro, inicie o procedimento novamente. A prática torna isso mais fácil e repetível.

Com as condições iniciais estabelecidas, estude o fluxo usando uma taxa de bombeamento lenta. Ligue a bomba e a câmera simultaneamente. Permita que os dois corram por cinco minutos.

Quando terminar, segure uma régua ao lado do tubo e tire uma imagem de calibração. As imagens do experimento estão acima das curvas de concentração inferidas em três momentos não dimensionais diferentes durante o experimento. Esses dados são para um tubo fino, para o qual a proporção de lados curtos e longos da seção transversal do tubo é pequena.

A forma da distribuição muda à medida que o bolo de corante se move rio abaixo. A simetria gaussiana inicial na direção longitudinal é rapidamente quebrada. Simulações de Monte Carlo, com distribuição inicial e vazão correspondentes, confirmam os resultados experimentais em dois tempos adimensionais diferentes.

As linhas sólidas são dados experimentais e as linhas tracejadas são resultados de simulação. Esta comparação é para um tubo fino com uma pequena proporção de lados curtos e longos da seção transversal. As simulações de Monte Carlo também fornecem confirmação no caso de um tubo grosso, onde a proporção dos comprimentos da seção transversal é próxima de um.

Observe a diferença na evolução da concentração entre os tubos finos e grossos. Com o tempo, o tubo fino tem soluto com uma frente afiada e uma cauda afilada. O tubo grosso tem o perfil oposto.

Uma vez dominada, essa técnica pode ser feita em cerca de uma hora se for executada corretamente. Isso exclui o tempo de espera para que a concentração do corante se difunda pela seção transversal. Ao tentar este procedimento, é importante lembrar de lavar o tubo lentamente antes da execução experimental e ser extremamente cuidadoso ao criar as condições iniciais.

Depois de assistir a este vídeo, você deve ter uma boa compreensão de como observar a difusão do soluto no fluxo laminar através de tubos capilares de seções transversais arbitrárias.