Количественная Смешивание использованием магнитно-резонансная томография

Общая цель следующего эксперимента заключается в использовании магнитно-резонансной томографии в качестве мощного инструмента для оценки качества смешивания и работы технологического оборудования. Это достигается путем объединения двух потоков жидкости в статическом смесителе с разделением и повторным объединением. МР-изображения получают, выбирая соответствующий протокол визуализации.

Эти изображения позволяют охарактеризовать смеситель. Результаты эффективности получены для применения, актуального для средств личной гигиены, однако данная процедура может быть применена к широкому спектру пищевых, химических, биомасс и биологических жидкостей. Основным преимуществом использования магнитно-резонансной томографии по сравнению с другими методами, такими как видеосъемка, является возможность визуализации непрозрачных материалов.

Кроме того, получаемая информация является количественной, что позволяет рассчитать концентрации компонентов и степень перемешивания. Визуализация перемешивания с помощью МРТ может быть полезна для валидации численного моделирования гидродинамики и производственных процессов путем детального сравнения пространственно измеренных распределений концентрации с расчетными распределениями концентрации.

Смеситель для SAR состоит из ряда различных пластин, помещенных в ПВХ-трубку. Каждая пластина толщиной 1,59 миллиметров изготовлена из ПММА с помощью лазерной резки. Каждая пластина имеет прямоугольный паз, который обеспечивает ее центрирование вдоль акрилового стержня.

В ПВХ-трубе пластик может быть прозрачным или непрозрачным. Пластины имеют различную конструкцию с отверстиями, через которые может протекать жидкость. Пластины укладываются в трубу в повторяющемся порядке, в результате чего образуются пересекающиеся каналы для смешивания.

Две жидкости, проходящие через пластину трубы S, используются для подачи двух потоков жидкостей, входящих в повторяющийся мотив. Один поток жидкости находится в центре, а другие потоки — выше и ниже. Их относительная скорость потока составляет 10 к 1.

Затем потоки жидкостей соединяются в открытом канале, образованном восемью пластинами типа C. После этого жидкости физически разделяются на два вертикальных канала восемью пластинами типа I. Следующий участок состоит из 16 уникальных пластин, которые поворачивают каждый поток жидкости на 90 градусов против часовой стрелки. Затем жидкость проходит через восемь пластин, которые разделяют потоки на два горизонтальных канала.

Повторяющийся мотив завершается восемью пластинами с открытыми каналами. Всего мотив повторен шесть раз по всей длине ПВХ-трубки. Для сборки системы потока, предназначенной для перекачки раствора карбополя через разделитель и рекомбинирующий статический смеситель, начните с размещения смесителя в магните.

Магнит является частью однополюсного постоянного магнита Тесла, используемого в имидж-спектрометре с максимальной напряженностью градиента 0,3 Tesla на метр и почти кубическим корпусом, позволяющим контролировать и регистрировать скорость массового потока исследуемых жидкостей. Кроме того, перед смесителем установлен датчик давления для мониторинга давления, а также высокочастотная катушка, представляющая собой соленоид с четырьмя витками для цилиндрического объема, который плотно прилегает к трубке из ПВХ. Наконец, к впускным отверстиям подключены два различных раствора.

В данной демонстрации будут использоваться растворы карбопола с добавлением хлорида марганца или без него. Приготовьте раствор карбопола, медленно просеивая навеску полимера в деионизированную воду в перемешивающем баке. Нейтрализуйте раствор карбопола 50% раствором гидроксида натрия до pH 7.

Нейтрализация позволяет раствору достичь максимальной вязкости по мере набухания полимера в воде. Для формирования геля приготовьте второй модифицированный раствор карбопола, содержащий МР-контрастное вещество хлорид марганца. Для характеристики реологических свойств или поведения потока используйте стандартную геометрию конуса и плоскости при температуре жидкости 25 °C для измерения вязкости сдвига.

Выполните сканирование статического напряжения сдвига в диапазоне от 0.1 до 500 pascal в ритмическом режиме LA с 10 точками на декаду и допуском 5%. Затем измерьте деформацию при сканировании по частоте от 628 до 0.63 rad per second в логарифмическом режиме LA с 10 точками на декаду. При выборе параметров визуализации необходимо учитывать общее соотношение сигнал/шум в изображении, а также контраст и интенсивность сигнала между легированной областью и областью включения.

В данном случае мы выбрали последовательность градиентного эхо и подобрали такие концентрации, чтобы обеспечить линейную зависимость интенсивности сигнала от концентрации. МР-последовательность не включает компенсацию потока.

Чтобы избежать артефактов движения, визуализация проводится на покоящейся жидкости; время визуализации составляет от одной до четырех минут. Переместите смеситель, чтобы визуализировать объемы на разных осевых позициях. Сдвигайте трубку смесителя вдоль оси магнита до тех пор, пока нужный объем не окажется в центре катушки ЯМР в центре магнита.

Затем повторите процесс визуализации. В завершение проанализируйте данные МРТ с помощью процедур анализа изображений, чтобы задокументировать пространственное распределение концентраций компонентов. В данной работе реальные логические свойства двух растворов оказались неразличимы.

Вязкоупругие свойства растворов были характерны для гелевой системы, в которой модуль накопления превышал модуль потерь, при этом оба модуля оставались практически постоянными. Наклон кривой потерь относительно накопления увеличивался при более высоких частотах, и соответствующее фазовое запаздывание следовало той же тенденции, что позволило оценить относительный вклад вязких сил в силы инерции при течении. Числа Рейнольдса рассчитывались исходя из среднего расхода через пластины.

Эти значения, которые значительно меньше 1,0, указывают на то, что вязкие силы преобладали над инерционными. Таким образом, перемешивание происходило за счет ламинарного растяжения и сдвига, а не за счет турбулентности. Чтобы продемонстрировать эффективность визуализации потока с помощью МРТ, ниже представлены изображения, полученные в различных осевых сечениях.

Смеситель SAR эффективно и равномерно разделяет потоки, что показано на изображениях H-образных пластин, расположенных после первого, второго и третьего сечений смешивания. Количество полос легированного флюида удваивалось в каждом сечении смешивания. Изменение пороговых значений яркости изображения демонстрирует увеличение числа полос легированного флюида с каждым проходом через повторяющийся элемент.

Последовательность изображений при повороте на 90 градусов против часовой стрелки в смесителе показывает, как вертикальные потоки становятся горизонтальными в процессе смешивания по всему туннелю. Два потока жидкости удваиваются многократно. При проведении этих измерений важно помнить, что время измерения должно быть очень коротким по сравнению со временем, необходимым для того, чтобы молекулярная диффузия повлияла на распределение концентраций компонентов. Эти экспериментальные измерения смешивания особенно полезны для проверки влияния моделей реологии жидкостей, используемых в расчетах вычислительной гидродинамики процессов смешивания, а также в смесителе с разделением и рекомбинацией потоков.

После просмотра этого видео вы получите четкое представление о том, как использовать магнитно-резонансную томографию для изучения распределения концентраций в статическом смесителе.