Engineering

פעפוע של המשדרים פסיבי בזרימת הטיה למינריות

Published: May 1, 2018 doi: 10.3791/57205

Manuchehr Aminian^1,2, Francesca Bernardi¹, Roberto Camassa¹, Daniel M. Harris^1,3, Richard M. McLaughlin¹

¹Department of Mathematics, University of North Carolina at Chapel Hill, ²Department of Mathematics, Colorado State University, ³School of Engineering, Brown University

Summary

פרוטוקול לחקר פעפוע של המשדרים פסיבית ב מונחה לחץ זרימה מוצג. הנוהל חל גיאומטריות צינור קפילרי שונים.

Abstract

מתוארת שיטה פשוטה כדי להתבונן ולמדוד את הפיזור של מכשיר מעקב פסיבי של זרימה נוזלים השפעול. השיטה מורכבת הראשון הזרקת הפלורסנט ישירות לתוך צינור מלא עם מים מזוקקים, ומאפשרת לפזר על פני חתך הרוחב של הצינור כדי להשיג תנאי ראשוני מבוזרות בצורה אחידה. לאחר תקופה זו, זרימה שכבתית מופעל עם משאבה מזרק לתכנות לבחון את התחרות של advection ו דיפוזיית מעקב דרך הצינור. Asymmetries בהפצה מעקב נלמדים, מוצגים מתאמים בין צינור חתך הרוחב ואת צורת ההתפלגות: דק ערוצי (יחס גובה-רוחב << 1) לייצר המשדרים המגיעים עם חזיתות חדה ו מתחדדת (זנבות מוטה לפנים הפצות), ואילו ערוצי עבה (יחס הגובה-רוחב ~ 1) להציג את אופן הפעולה ההפוכה (הפצות לאחור). ההליך ניסיוני חלה על צינורות קפילר של גיאומטריות שונות והיא רלוונטי במיוחד ליישומי microfluidic לפי דמיון דינמיות.

Introduction

בשנים האחרונות מאמצים ניכרים כבר התמקדו בפיתוח microfluidic והתקנים מעבדה על שבב שיכול להפחית את העלויות ולהגביר את הפרודוקטיביות של הכנה כימיים ואבחון עבור מגוון של יישומים. אחד המאפיינים העיקריים של מכשירי microfluidic התעבורה מונחה הלחץ של נוזלים, התפרקה מומסים בגבול דרך microchannels. בהקשר זה, זה הפך להיות חשוב יותר ויותר כדי להבין טוב יותר את המשלוח מבוקרת של מומסים בגבול-microscale. בפרט, יישומים כגון הפרדת כרומטוגרפי¹^,² ו- microfluidic זרימה הזרקת ניתוח³^,⁴ דורשים שליטה והבנה של משלוח ממס. חוקרים מיקרופלואידיקה יש למד ותיעדו את ההשפעה של צורת חתך של התעלה על ממס הפצת⁵^,⁶^,⁷^,⁸, ואת התפקיד של יחס גובה-רוחב הערוץ ⁹ ^, ¹⁰.

מחקרים אנליטיים ומספרי בהפצת ממס לאורך ערוצי יש לאחרונה להביא לזיהויו של מתאם בין הגיאומטריה חתך צינור צורת התפלגות ה-⁹^,¹⁰. על צירי זמן מוקדם, ההתפלגות בחוזקה תלוי הגיאומטריה: צינורות מלבנית לשבור סימטריה כמעט מיד, בעוד צינורות אליפטית לשמור על סימטריה הראשונית שלהם הרבה יותר⁹. מצד שני, מתקדמים לתוך צירי זמן ארוך יותר asymmetries בהפצה ממס כבר לא להבדיל אליפסות מלבנים, נקבעים אך ורק על-ידי את יחס חתך הרוחב λ (היחס בין הקצר לצד ארוך). בהתחשב "צינורות" של חתכים אליפטית, "ducts" של חתכים מלבני, תחזיות מתוך מספרית סימולציות וניתוח אסימפטוטית היו benchmarked עם מעבדה לניסויים. דק ערוצי (יחס הגובה-רוחב << 1) לייצר מומסים בגבול המגיעים עם חזיתות חדה, מתחדדת זנב, ערוצי עבה (יחס הגובה-רוחב ~ 1) להציג את התנהגות מול¹⁰. אפקט חזקים זה חסר רגישות יחסית לתנאים הראשונית והוא יכול לשמש כדי לעזור בחר בפרופיל הפצה ממס נדרש עבור כל יישום.

ההתנהגות שפורטו לעיל של מיון דק לעומת תחומים עבה קורה לפני המשטר "טיילור פיזור" קלאסית מתמלאת. טיילור פיזור מתייחס המריחה משופרת של מומסים בגבול פסיבי זרימה שכבתית (יציבים ב נמוך מספר ריינולדס, Re) עם diffusivity יעיל והציגה, ביחס הפוך של ממס diffusivity מולקולרית κ¹¹. שיפור זה הוא ציין רק לאחר צירי זמן ארוך, דיפוזיה, כאשר ממס יש ליישב את התעלה. ציר הזמן המפזרת כזו מוגדרת במונחים של ציר האורך האופייני של הגיאומטריה, כמו t_d = /κ². המספר Péclet הוא פרמטר nondimensional אשר מודד את החשיבות היחסית של נוזלים advection להשפעות דיפוזיה. אנו מגדירים הפרמטר מבחינת היקף באורך הקצר Pe = Ua/κ, איפה U מהירות הזרימה אופיינית. (מספר ריינולדס ניתן להגדיר במספר Péclet Re = Pe κ/ν, איפה ν צמיגות קנטית מהנוזל..) ערכים אופייניים של מספר Péclet עבור יישומים microfluidic¹² משתנות בין 10 ו- 10⁵, עם diffusivities מולקולרית הנע בין 10^-7עד 10^-5ס מ²/s. ומכאן, נתן את מהירויות הזרימה ואת אורך מאזני של עניין, זה הוא קריטי כדי להבין את אופן הפעולה של מומסים בגבול עבור צירי זמן ביניים-כדי-ארוך (יחסית המפזרת ציר הזמן), הרבה מעבר התצפיות הראשונית של התנהגות מבוססת על גאומטריה ואל המשטרים cross-section מונחה אוניברסלי עבור מחלקה גדולה של גיאומטריות.

בהינתן הריבית ביישומים microfluidic, הבחירה של בקנה מידה גדול הגדרת הניסוי עשויים-קודם נראה לא טבעי. הניסויים דיווח בזאת נמצאים בסולם מילימטר, לא-microscale כמו microfluidic נכון התקנים. עם זאת, התנהגויות דומות פיזית לאפיין את שתי מערכות, מחקר כמותי של התופעה רלוונטית עדיין ניתן להשיג באמצעות כראוי קנה מידה את המשוואות השלטון, כמו מודלים של מטוסים הם העריכו במנהרות הרוח במהלך העיצוב שלב. בפרט, התאמת פרמטרים רלוונטיים nondimensional (כגון מספר Péclet לניסוי שלנו) מבטיח את יכולת ההתאמה של המודל ניסיוני. בעבודה כזאת קשקשים גדולים יותר, תוך שמירה על מונחי-לחץ זרימה, מציע כמה יתרונות על פני מלכודת microscale המסורתי. בפרט, הציוד הנדרש לייצור, לבצע, להמחיש את ההווה הניסויים הוא קל לתפעול ויקרות פחות. יתר על כן, אתגרים משותפים אחרים של עבודה עם microchannels, כגון סתימת תכופים ואת השפעת משופרת ייצור טולרנסים, הם לפתור עם ההגדרה גדול יותר. שימוש אפשרי נוסף עבור הגדרת הניסוי הזה הוא עבור מחקרים של התפלגות זמן מגורים (RTD) זורם שכבתית¹³.

ניתן לנתח את asymmetries הנובעים בהפצה ממס במורד הזרם דרך רגעים סטטיסטית; בפרט, מידת ההטיה, אשר מוגדר ממורכז, מנורמל ברגע השלישי, הוא הנתון הנמוך סדר נפרד הסטטיסטי מדידה את האסימטריה של התפלגות. הסימן של מידת ההטיה מציין בדרך כלל צורת ההתפלגות, כלומר. אם זה מוטה לפנים (הטיה שלילית) או לאחור (מידת הטיה חיובית). התמקדות יחס הגובה-רוחב של הערוצים, קיים מתאם ברור של גיאומטריות דק עם הפצות מוטה לפנים, וגיאומטריה עבה עם הפצות לאחור¹⁰. בנוסף, ניתן לחשב יחס גובה-רוחב קריטי המפריד בין התנהגותו מול שני צינורות אליפטית וגם צינורות מלבנית. יחסי גודל כזה כבל מוצלב דומים להפליא עבור גיאומטריות סטנדרטי, בפרט, λ * = 0.49031 עבור צינורות, λ * = 0.49038 עבור צינורות, מרמז על האוניברסליות של תאוריית ה-¹⁰.

ללמוד הפצת ממס פסיבי מונחה הלחץ בלמינריות זורם נוזל ברחבי נימים זכוכית של חתכים שונים משמשים את הגדרת הניסוי ואת השיטה המתוארת במאמר זה. הפשטות ואת הפארמצבטית הניסוי של הגדרת שיטה חזקה של ניתוח להבנת הקשר בין חתך גיאומטרי של צינור הצורה הנוצרת של ההתפלגות ממס מוזרק כפי שהוא מועבר במורד הזרם. השיטה שנדונו בעבודה זו פותחה כדי בקלות benchmark תוצאות מתמטיות ומספרי בסביבה הפיזית מעבדה.

הליך ניסיוני פשוט מתואר אשר מדגיש את תפקיד מכריע בגילומו חתך הרוחב יחסי של ערוץ fluidic בקביעת צורת התפלגות ממס במורד הזרם. הגדרת הניסוי דורש משאבת מזרק לתכנות כדי לייצר של זרימה קבועה, חלקה צינורות זכוכית של חתכים שונים, משאבת מזרק השני להחדיר את ממס באמצעי (למשל. fluorescein צבע) לזרם שכבתית שמסביב. קרינת UV-A אורות, מצלמה כדי לתעד את האבולוציה ממס. קבצי CAD ניתנים עבור כל החלקים מותאם אישית של ההתקנה ושל קבצים כאלה יכול לשמש כדי 3D-הדפסה שניסיוני חלקים מראש להרכבה.

Protocol

1. הכנת החלקים כדי לבנות את הגדרת הניסוי

לנצל הציורים CAD תלת-ממד מצורף (בפורמט .stl) על 3D-הדפס למוצב מזרק מאגר, מחבר משושה, שתי צלחות כדי לשמש טעינות צינורות (שניים עבור כל הגיאומטריה).
הערה: לחלופין, חלקים מסוימים של ההתקנה ניתן בחיתוך לייזר. בדו ח זה, הכיכר צינור עבה יש כבר רכוב עם צלחות בחיתוך לייזר, בעוד דק מלבני הצינור יש כבר רכוב עם צלחות מודפס 3D.
להשיג צינורות קפילר זכוכית חלקה של הגיאומטריה הרצוי.
הערה: בדו ח זה, שתי גיאומטריות pipe משמשים: צינור 30 ס מ באורך של חתך מרובע-חתך רוחב פנימי 1 מ"מ x 1 מ"מ, עובי הקיר 0.2 מ מ; צינור 30 ס מ באורך של חתך מלבני-חתך רוחב פנימי 1 מ"מ x 10 מ"מ, עובי 0.7 מ מ. צינור מרובע הוא מעתה ואילך המכונה הצינור עבה, ואילו הצינור מלבנית נחשבת הצינור הדק.

2. הרכבה של ההתקנה ניסיוני

הקשה של החלקים מודפס 3D
1. הקש על הפוסט מזרק לשני הצדדים באמצעות "1/8 (0.32 ס מ) NPT הקשה שבו יהיה מותקן על הזרקת מחטני וצבע קלט. הקש על המאגר מאחור עם ברז 10-32 שבו יותקן צינור ניקוז.
2. הקש את חורי הברגים ארבע בהקשה 6-32 בחלק הקדמי של המאגר. הקש על היצירה מחבר משושה על החלק העליון והחלק התחתון באמצעות הקשה 6-32.
הכנת החלקים מצותתים מודפס 3D
1. מזרק פוסט
  1. מכסים את חוטי צינור טקסוס מתאים עם PTFE אטימה קלטת. בורג ההתאמה מוכן אל החור האחורי של פוסט מזרק. חותכים פיסת ס מ באורך 30 צינורות פלסטיק (הקוטר הפנימי 3.30 מ מ). הכנס את הצינורית על מתאם צינור.
  2. לכסות את החוטים של המחט שחולק מפלדת (הקוטר החיצוני 0.71 מ"מ) עם PTFE אטימה קלטת. בורג המחט מפלדת שחולק על החור (גדול) קבלה על גבי הפוסט מזרק.
2. מאגר מים
  1. מכסים את חוטי צינור טקסוס קטן מתאים עם PTFE אטימה קלטת. בורג ההתאמה מוכן אל החור האחורי של המאגר (חור קטן יותר).
  2. חותכים פיסת ס מ באורך 30 צינורות פלסטיק (הקוטר הפנימי 3.30 מ מ). הכנס את הצינורית על גבי מתאם צינור. סגור את הקצה השני של הצינור עם כובע קטן.
    הערה: זו תהיה מערכת ניקוז עבור המאגר.
  3. מקום קונדום o-ring (עמידות שמן לבונה-N o-ring, 1 / "16" (0.16 ס"מ) רוחב שברים, מקף מס 016) המיתון מעגלית בקצה הצינור של המאגר.
3. מחבר משושה
  1. מכסים את חוטי צינור טקסוס קטן מתאים עם PTFE אטימה קלטת. בורג ההתאמה מוכן אל החור התחתון של המחבר משושה.
  2. חותכים פיסת ס מ באורך 30 צינורות פלסטיק (הקוטר הפנימי 3.30 מ מ). הכנס את הצינורית על מתאם צינור.
  3. מכסים מתאם צינור עם איטום מצופפי בלם זעזועים. הקפד לכסות את מתאם צינור הולך נגד החוטים.
  4. חותכים פיסת ס מ באורך 4 צינורות פלסטיק (הקוטר הפנימי 3.30 מ מ). הכנס את הצינורית על מתאם צינור.
להכין את הצינור
1. להפיץ שכבה דקה של RTV גומי איטום 2 מ מ בלבד בכל קצה של הצינור. להפיץ את חומר האיטום באופן שווה סביב החלק החיצוני של הצינור, לוודא שלא להכשיל את הגישה צינור עם חומר האיטום.
2. לטעון את הצינור על גבי הלוחות הדפסת תלת-ממד על-ידי הוספתו בזהירות לתוך החורים חתוכות מראש על המתאמים הצינור מודפס 3D. ודא לדחוף את הצינור בלפחות 2 מ מ, כך חומר האיטום לאורך כל צד יוצר קשר עם הצלחות.
3. בזהירות להפיץ חומר האיטום אל הקצה של הצלחת כך הצינור מקבל אטום לתוך אזור החיתוך. המתן לפחות 12 שעות עבור חומר האיטום באופן מלא vulcanize ובכך איטום הצינור על גבי הלוחות.
למדוד 0.40 גר' אבקת fluorescein להכין את הפתרון לצבוע. לדלל אבקה לתוך 0.50 לליטר מים מזוקקים כדי להשיג את ריכוז הצבע הרצוי (ריכוז 0.80 g/L).
הערה: diffusivity של fluorescein במים מוערך על ידי ביצוע שריבועים מתאים של הביטוי אנליטי עבור מומנט ההתמד של ההתפלגות מעקב cross-sectionally בממוצע ב גאומטריה צינור עגול¹⁴ ניסיוני מידת באותה הכמות. המקדם פעפוע מוערך κ = 5.7 x 10^-6 ס מ²/s, בקנה אחד עם הערכים שפורסמו בעבר של diffusivity של fluorescein במים טהורים.
הרכבה
1. משאבת מזרק מלכודת
  1. ממלאים מזרק פלסטיק 12 mL פומפה גומי עם מים מזוקקים. הוסף טיפ שחולק פלסטיק על גבי המזרק. לטעון המזרק אל משאבת מזרק א התחבר המזרק 30 ס מ באורך צינור בחלק התחתון של המחבר משושה.
  2. ממלאים מזרק פלסטיק 1 מ"ל פומפה גומי עם מים מזוקקים. לטעון את המזרק אל משאבת מזרק א לחתוך חתיכה 30 ס מ באורך של צינורות פלסטיק (הקוטר הפנימי 3.30 מ מ). לצרף את זה במזרק פלסטיק 1 מ"ל.
    הערה: שני מזרקים מלאים מים מזוקקים הם רכובים על משאבת מזרק א כפי המשאבה מופעל, מים ב'מגש מ שני מזרקים. הראשון כדי לשמש הוא המזרק 12 מ ל, כך המזרק 1 מ"ל צריך להיות מחובר צינור ניקוז כדי למנוע כתמי מים. השלב זה לא הכרחי עבור צינור דק מלבני.
2. התקנת מזרק
  1. ממלאים מזרק פלסטיק 3 מ"ל פומפה גומי עם הפתרון fluorescein. הוסף טיפ שחולק פלסטיק על גבי המזרק.
  2. לצרף את הצינור מחובר בגב של מזרק המזרק לצבוע.
  3. למלא את ההודעה מזרק עם הפתרון לצבוע בהזרקת צבע דרך המזרק באופן ידני תוך החזקת את ההודעה מזרק אופקית (כלומר. עם מחט אוריינטציה כלפי מעלה, מעל המזרק). המשיכי לדחוף את המזרק עד מזרק מלא של צבע, אין אוויר לכוד בפנים.
  4. לטעון את המזרק אל משאבת מזרק ב' מהדק מזרק פוסט על קצה הספסל מעבדה באופן זה הינו נגיש באמצעות הצינור מחובר את משאבת מזרק.
  5. הכנס דיסקיות קטנות על ארבעת הברגים ארוך (חוט ברגים במכונה פיליפס ראש פאן נירוסטה 6-32, 2-1/4 פלייר (5.76) ס"מ). הכנס את ארבעת הברגים ארבעה חורים המקיפים את המחט.
    הערה: ודא ראש הבורג הוא על הגב של פוסט מזרק (באותו צד כמו הצינור מחובר המזרק צבע).
3. מחבר משושה
  1. מקום שני-טבעות O (עמידות שמן לבונה-N o-ring, 1 / "16" (0.16 ס"מ), רוחב שברים מקף מס 016) המגרעות מעגלית בכל צד של המחבר משושה.
  2. חברו המחבר משושה מזרק פוסט על ידי יישור חוריו ארבעת הברגים ומחדיר אותו עליהם. ודא שיש את הצד עם החור גדול יותר מול הדואר מזרק. בדוק וודא כי o-ring לא זזה מהמקום כאשר כשכרטיס בין שני חלקי.
4. צינור
  1. לצרף אחד הלוחות-הקצה מחובר לצינור למחבר משושה על ידי יישור חוריו ארבעת הברגים והכנסתו לעברם. שים לב כדי שהמחט אשר צריך להזין את הצינור כמו להיות נטענה.
  2. אבטח את ארבעת הברגים ארוך כדי לדחוס ביחד את מזרק המחבר משושה, את הצלחת מתאם צינור-על-ידי צירוף 4 6-32 פלדת אל-חלד אגוזים בסוף המנעולים ארוך. ודא כי הטבעות הו לא זז מהמקום כאשר כשכרטיס בין החלקים.
  3. לצרף בצד השני של הצינור המאגר באמצעות 4 ברגים קצר ודיסקיות (חוט ברגים במכונה פיליפס ראש פאן נירוסטה 6-32, 1/2"(1.27 ס מ) אורך). בדוק o-ring לא זזה מהמקום כשהוא דחוס בין שני חלקי.
5. תהדק את המאגר לשולחן. ודא כי המאגר מיושר עם הדואר מזרק שלא לכופף את הצינור.
6. אוויר מערכת חילוץ: הוסף טיפ שחולק פלסטיק לתוך הצינורית מחוברת לחלק העליון של המחבר משושה. לצרף מזרק 3 מ"ל הטיפ פלסטיק.
  הערה: המזרק ישמש כדי לחלץ את כל בועות אוויר לכוד בתוך המערכת.
7. אורות, מצלמה
  1. מקום שני 61 ס מ באורך קרינת UV-A צינור אורות בכל צד של ההתקנה ניסיוני.
    הערה: יש מסלול מעוצב במיוחד בכל צד של מזרק וגם מאגר מים. הניסוי צריכה לפעול בחושך עם האורות צינור קרינת UV-A מופעלת.
  2. מקום מצלמה עם כרטיס זיכרון מעל הגדרת הניסוי פונה כלפי מטה.
    הערה: המצלמה רצוי למקם לפחות 1 מ' מעל רכיב ה-pipe. בדרך זו, המסגרת יכלול את אורך הצינור כולו. השתמשו מצלמת DSLR עם עדשה של עדשה של אורך המוקד מתכווננת, 24-120 מ מ.
  3. לתכנת את המצלמה באמצעות שלט מרחוק כדי לצלם תמונות כל 1 s עם צמצם 5.6f, מהירות צמצם 5 ו ISO 200.

3. לפעול ניסיונית

תוכנית ההתקנה
1. למלא את המאגר מים מזוקקים לרמה מעט מעל רכיב ה-pipe. למלא צינור מים מזוקקים על-ידי לחיצה על משאבת מזרק. תדליקו את האורות קרינת UV-A צינור ומשוך את וילונות האפלה.
2. הפעל את משאבת מזרק לתכנות כדי לשטוף את הצינור של כל צבע שיורית.
3. קחו תמונת ייחוס בודדת של צינור מלא במים מזוקקים טהור.
  הערה: זהו ההפניה כי ייעשה שימוש בעיבוד נתונים צעדים לאחר מכן. התמונה הזאת צריך להילקח בחושך בתנאים הדומים ככל האפשר לפעול ניסיונית.
4. להחליף את הצינור מתחבר פוסט מזרק במזרק 1 מ"ל רכוב על משאבת מזרק א התחבר המזרק 12 mL כדי צינור ניקוז (בעבר מחובר המזרק 1 מ"ל).
  הערה: השלב זה לא הכרחי עבור צינור דק מלבני.
תנאי ראשוני
1. להזריק גוש 1 מ מעבה של צבע (3 מ מעבה בים מלבני דק) בצינור על-ידי הפעלת המשאבה מזרק אנלוגי B.
  הערה: שלב זה יוצר את התנאי הראשוני של צבע. כמות צבע מוזרק תלוי הגיאומטריה של רכיב ה-pipe בשימוש. צינורית דקה דורש כמות גדולה של צבע כי אזור חתך הרוחב שלו הוא גדול יותר. לפני הפעלת ניסיוני, לצבוע יהיה מפוזר על פני חתך הרוחב, הזרקת כמות גדולה של צבע ומבטיח שזה יהיה מספיק פיקח. להיות בשבי תמונות אפילו אחרי זה יש ליישב.
2. משאבת מזרק תוכנית כדי להזריק מים מזוקקים בקצב הזרימה איטית מאוד של 0.193 mL/h עבור צינור מרובע עבה (קצב הזרימה הוא 1.93 mL/h על הצינור מלבני דק). הפעל את משאבת מזרק 5 דקות לאפשר את בולוס של צבע כדי להעבירם הצינור מן המחט.
  הערה: לאחר 5 דקות, לצבוע צריך להיות כ- 1 ס מ מן המחט. הגדלת קצב הזרימה לפי סדר גודל אחד של הצינור הדק הוא מכיוון שאמצעי האחסון של צינור דק פי 10 של הצינור עבה.
3. משוך את המזרק לצבוע לאחור באופן ידני, מוודא שלצבוע לא מגיע את המחט.
  הערה: פעולה זו תבטיח כי אין מים בסוף המחט מזוקקים כך לצבוע יותר להיות מפוזרים לתוך הצינור במהלך הריצה ניסיוני.
4. לחכות זמן t_w > t *_d עבור בולוס לצבוע לפזר על פני חתך הרוחב של הצינור.
  הערה: זמן המפזרת t *_d = b2/κ מחשיב את b אורך האופיינית להיות חצי בצד חתך זמן. בדרך זו של מחשוב זמן ההמתנה היא להכליל את כל חתך עם הבחירה המתאימה של b. לתוצאות הנציגה שלנו, זמן ההמתנה היה 15 דקות עבור צינור מרובע עבה ו- h 15 עבור צינור דק מלבני.
זרימה
1. תוכנית משאבת מזרק א' את קצב הזרימה הרצויה של 1.93 mL/h עבור צינור מרובע עבה ו- 19.3 mL/h על הצינור מלבני דק.
2. להתחיל את משאבת מזרק וההדק מרחוק על המצלמה באותו זמן. הפעל את הניסוי במשך 5 דקות, עם מרווח בין תמונות של 1 s.
3. תדליק את האורות בחדר, קח תמונה של שליט ממוקמים באותו גובה כמו צינור מקביל לו.
  הערה: זה יעזור לקבוע את קנה המידה של אורך (פיקסלים/מ מ) בשימוש עיבוד נתונים.

4. עיבוד נתונים

לחלץ את כרטיס הזיכרון מהמצלמה, להוריד את הנתונים למחשב שבו ייעשה שימוש בתוכנת עיבוד תמונה לנתח את זה.
ניתוח MATLAB
1. תחילה להחסיר נורה תמונה הפניה (שלב נקרע ב 3.1.3) מתוך התמונה ניסיוני הראשון.
2. לחתוך את התמונה לאורך שולי העליון והתחתון של הצינור. ודא לסובב את התמונה אם הצינור לא מיושר עם המסגרת.
3. סכום הקריאה בעוצמה של הערוץ הירוק אנכית בתמונה המתקבלת.
  הערה: זה הוא יחסי עוצמת צבע חתך הרוחב הכולל כפונקציה של האורך לאורך הצינור.
4. המרת יחידות אורך מפיקסלים מ"מ באמצעות ציר אורך פיזי מ כיול התמונה (ראה שלב 3.3.3).
5. חזור על כל שאר התמונות. התוצאה ברצף זמן של עקומות מדידת ריכוז צבע הכולל לאורכו של הצינור.

Representative Results

הגדרת הניסוי לאחר ההרכבה מוצג באיור1. תמונות שמפיקים ב- MATLAB הצג המידע מהניסוי מעל התפתחות מעובד עקומת ריכוז (איור 2) עבור שלוש פעמים-ממדי. אימתנו כי קיים קשר ליניארי בין עוצמת וריכוז של המעקב. הצורה של השינויים הפצה ככל שחולף הזמן, בולוס לצבוע את נעה במורד הזרם. איור 2 מציג את האבולוציה כזה במקרה של הגיאומטריה צינור דק מלבני. ההתפלגות לצבוע הראשונית היא סימטרית וצר (דמוי-Gaussian ביחס לכיוון האורך, כמעט אחיד חתך הרוחב, איור 2 שמאל), אך הסימטריה שבורה כמעט מיד כמו מתחיל לזרום הרקע. ההתפלגות שוברת סימטריה על-ידי הצגת חזית חדה ולאחר זמן מתחדדת זנבות (איור 2, האמצעי וימינה).

תוצאות הניסוי מאושרות על ידי סימולציות מונטה קרלו לבצע התאמה ראשונית הפצה וזרימה הקצב (איור 3). ערך מצויד עבור κ diffusivity צבען היה נחוש בניסוי עצמאי (שלב 2.4 בפרוטוקול), המשמשים השוואה זו. בשיטות מונטה קרלו משמשים לעתים קרובות כדי לדמות את האבולוציה של דיפוזיה advection בעיות הקשורות לסימולציה התנאים גבול (הומוגנית נוימן, במקרה זה) יכול להיות פשוט קלט כמו ביליארד כמו השתקפות כללים. הגישה היא מדגם מימושים של משוואה דיפרנציאלית המקביל סטוכסטי שבבסיס המשוואה דיפוזיה advection בצורה nondimensional:

Equation 1

איפה T(x,y,z,t) ההתפלגות tracer, τ זה הזמן nondimensional מנורמל מאת t_d, x הוא הקואורדינטה המרחבי האורך, y הוא הקואורדינטה רוחבי קצר, z הוא הקואורדינטה זמן רוחבי, כל מנורמלת על-ידי הצד הקצר. U(y,z) זרימת הנוזלים הוא הפתרון מצב יציב למינריות משוואות נאוויה-סטוקס עם תנאי גבול לא מחליק (אין זרימת אל הקיר), מונע על ידי מעבר הדרגתי לחץ שלילי. ניתן לקבל נתונים ראשוני גאוסיאנית בכיוון האורך צינור עם שונות הרצויה בהתחשב רק דיפוזיה (Pe = 0) ומתפתח החלקיקים במשך הזמן המבוקש להתאים את הרוחב של הנתונים ההתחלתיים ניסיוני⁹^,¹⁰. התוצאות נציג התקבלו באמצעות קצב זרימת הערכים שצוינו בפרוטוקול, אולם אנו מצפים התופעות הטעינה נצפתה להחזיק באופן כללי על המשטר למינריות¹⁰ (איור 3).

איור 1 : הגדרת הניסוי. (א) תרשים של ההתקנה ניסיוני. איור זה השתנה מ Aminianet al. ¹⁰. המצגת (B) של ההתקנה בפועל. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.

איור 2 : תמונות של נתונים מעובדים בזמנים שונים- שורה עליונה: צילום של ריכוז לצבוע ליישב לאורך חתך הרוחב של הצינור נצפו בדרך כלל לכיוון חתך זמן בהגברת פעמים-ממדי. הציר האנכי גודלו פי 5 מובהר. למטה: עוצמת הריכוז לצבוע שחושב סיכום לאורך זמן חתך לכיוון. הערך השיא הוא מנורמל. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.

איור 3 : השוואה של ההתפלגות ריכוז בין סימולציות מונטה קרלו ניסויים. האבולוציה של ריכוז לצבוע cross-sectionally בממוצע לאורך הצינור האורך שמוצג ב משני הרגעים בזמן: τ = 0.15 ו τ = 0.30. קווים מקווקווים הן התוצאות סימולציה, ואילו הקווים מוצק מייצגים את נתוני הניסוי. העליון: השוואה בערוץ סמיך (מרובע); למטה: השוואה בערוץ (מלבני) דק. האזור תחת כל עקומה היא מנורמל אחד ו- x = 0 מתאים למרכז התקע הראשונית של צבע. איור זה השתנה מ Aminianet al. ¹⁰. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.

הקבצים המשלימים 1 . כולל שרטוטי CAD של 3מחבר משושה D (hex_connector_3D.STL)

הקבצים המשלימים 2 . כולל שרטוטי CAD של פוסט מזרק תלת-ממד (injector_post_3D.STL)

הקבצים המשלימים 3 . כולל שרטוטי CAD של תלת-ממד מאגר (reservoir_3D.STL)

הקבצים המשלימים 4 . כולל שרטוטי CAD של 3D צלחות צינור עבה (plate_thick_3D.STL)

הקבצים המשלימים 5 . כולל שרטוטי CAD של 3D צלחות צינור דק (plate_thin_3D.STL)

Discussion

לאחר הזרקת צבע לתוך הצינור, בולוס מועבר מן המחט הזרקת באמצעות זרימה קבועה. לאחר מכן, יש צורך להמתין מספיק זמן לצבוע לפזר על פני חתך הרוחב של הערוץ. בדרך זו, התפלגות אחידה גאוסיאן כמו מתקבל וישמש כתנאי ראשוני לניסוי. לפיכך, זרם רקע למינריות נוצר עם המשאבה מזרק לתכנות. ניסיוני להפעיל נמשך 5 דקות עם תמונות שצולמו בכל שנייה.

הבעיות הנפוצות ביותר בכיוונון באים החיבור של החלקים, את הצינורות. החלקים השונים מודפס 3D צריך להיות אטום כהלכה כאשר הוא מחובר למנוע דולף. צינורות זכוכית עדינים מאוד, חייב להיות מטופל והתקנת בזהירות.

בעיה שנתקלנו בעת מעבר מיגדרי מרכיב ה-pipe מלבני דק לצינור מרובע עבה היה בשל העובדה שעוצמת הצינור צומצם לפי פקטור של 10. כדי לשמור על חתך הזרימה הממוצעת באותה המהירות עם mL 12 הנטען מזרק, את מהירות הבוכנה ב משאבת מזרק א' היה צריך להיות נמוך ביותר. . במהירות הזאת מתוכנת מהירות הבוכנה היה לא אחיד יותר, לא ניתן להבטיח זרימה קבועה לאורך כל ההפעלה הניסיונית. לכן, העברנו הרבה יותר קטן 1 מ"ל מזרק בעת עבודה עם צינור מרובע עבה בשלב 2.5.1.

כמו כן, אחד צריך לוודא העוצמה הממוצעת לאורך הממד האנכי של רכיב ה-pipe במצב ההתחלתי כ אחיד. אם לא, מסיכת הסינון צריך להיות מיושם בכל המסגרות להביא בחשבון את הפער הזה.

החלק הפחות הדיר של הניסוי הוא הזרקת צבע (וכתוצאה מכך את הרוחב של ההתפלגות הראשונית). כמופיע מוקדם יותר, זה לא נוגע תואמים עם הסימולציות מונטה קרלו, כפי התנאי הראשוני ניסיוני יכול ליצור מחדש באמצעות הניתוח של התמונה הראשונית. הזרקת צבע וחוזר חלילה ידנית הסוגר תמיד לייצר צבע תקעים ברוחב זהה בדיוק. הטיפול בפרט צריך להחיל בעת הגדרת את בולוס צבע ראשוני. הניסוי נעשה יותר הדיר לחוקרים לצבור ניסיון בחלק זה של הפרוטוקול, אך בהחלט יכול להיות עשוי שיפורים עתידיים.

כאשר משווים את ההתקנה עם microfluidic התקנים, הפרמטר היחיד שבו מופיעים המשוואה השולטים כאשר כראוי nondimensionalized Pe מספר Péclet אם חיצי מעקב פסיבי, כלומר ההתפתחות מעקב הוא חשיפות של הזרם. הדמיון דינמי הוא מרומז ההנחה של ריינולדס נמוך (Re << 1) המבטיח u(y,z) זורם שכבתית יציב. שני פרמטרים אלה מגדיר הדמיון מלאה בין microfluidic setups את הכף של הניסוי שלנו. בפועל, אורך הצינור פיזית מגביל רק טיימס nondimensional שאנחנו יכולים להגיע בבטחה עם ההתקנה שלנו. . לזכר הלא-ממדי מאוחר מאוד, אורך הצינור הצורך יכול להיות יקר וארוך עבור מספר קבוע Péclet בהגדרת בקנה מידה גדול זה.

הגבלה ברורה של פרוטוקול נסיוני זה הוא הנתונים שנאספו הוא ייצוג 2D המתוכננת של הגיאומטריה 3D כמו התמונות נלקחים מלמעלה על הצינור. התהליך הנוכחי מאפשר רק כדי לקבל את האבולוציה של התפלגות צבע cross-sectionally בממוצע. קבלת התפלגות מוגדרת בכל מקום בצינור ולא על חתך הרוחב הממוצע שלה, השוואה עם תחזיות תיאורטי ומספרי הם הנושא של מחקר שוטף.

כל החלקים הגדרת הניסוי יש שרטוטים טכניים זמינה להורדה מה שהופך את ההתקנה בקלות נגיש, להתאמה אישית על ידי החוקר מעוניין כלשהו. בונים על התוצאות הנוכחיות, אותו סידור ישמש ללמוד יותר מורכבים ולא נחקרו גיאומטריות צינור, כמו גם משטרים זרימה שונים.

Disclosures

המחברים אין לחשוף.

Acknowledgments

אנו להכיר במימון המשרד של חיל הים המחקר (גרנט DURIP N00014-12-1-0749), הקרן הלאומית למדע (מענקים RTG DMS-0943851, CMG ARC-1025523, DMS-1009750 ו- DMS-1517879). בנוסף, אנו להכיר את עבודתו של שרה ג ברנט שעזר לפתח גרסה מוקדמת של הגדרת הניסוי ואת פרוטוקול.

Materials

Name	Company	Catalog Number	Comments
Flourescein Dye	Flinn Scientific	LOT: 118362 CAS NO: 518-47-8
PhD ULTRA Hpsi Syringe Pump	Harvard Apparatus	703111	programmable digital syringe pump
Compact Infusion Pump Model 975	Harvard Apparatus	55-1689
Form 2 SLA 3D Printer	Formlabs	100-240
Glass pipes	VitroCom	4410 and 8100
PTFE sealing tape	Teflon	4934A12
PVC tubing (1/8" ID)	McMaster	5231K144	5 Foot Length
Reusable Stainless Steel Dispensing Needle 22 Gauge, .016" ID, .028" OD, 1/8" NPT Thrd, 2" Lg	McMaster	7590A45	1 Required
RTV silicone rubber sealant	McMaster	74945A69
Plastic Syringe Manual, w/ Luer Lock Connection, .34 oz Capacity, Packs of 10	McMaster	7510A653	1 required
Plastic Syringe Manual, w/ Luer Slip Connection, .034 oz Cap, Packs of 10	McMaster	7510A603	1 required
Plastic Syringe Manual, w/ Luer Lock Connection, 0.1 oz Capacity, Packs of 10	McMaster	7510A651	2 required
Plastic dispensing tip	McMaster	6699A1	3 required
6" C-Clamps	McMaster	5133A18	2 required
Type 18-8 Stainless Steel Flat Washer Number 6 Screw Size, 0.156" ID, 0.312" OD, Packs of 100	McMaster	92141A008	8 required
18-8 SS Pan Head Phillips Machine Screw 6-32 Thread, 2-1/4" Length, Packs of 50	McMaster	91772A167	4 required
Oil-Resistant Buna-N Multipurpose O-Ring 1/16 Fractional Width, Dash Number 016, Packs of 100	McMaster	9452K6	3 required
Type 18-8 Stainless Steel Hex Nut 6-32 Thread Size, 5/16" Wide, 7/64" High, Packs of 100	McMaster	91841A007	4 required
18-8 SS Pan Head Phillips Machine Screw 6-32 Thread, 1/2" Length, Packs of 100	McMaster	91772A148	4 required
24" Black Light Fixture with bulb	American DJ	B0002F5544	2 required
DSLR camera	Nikon	D300
24-120 mm lens	Nikon	2193
Remote programmable trigger	Nikon	4917	remote programmable trigger
Memory Card	SanDisk	SDCFX-032G-E61
Metric ruler	McMaster	20345A35

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

Dutta, D., Leighton, D. T. Jr Dispersion in Large Aspect Ratio Microchannels for Open-Channel Liquid Chromatography. Anal. Chem. 75 (1), 57-70 (2003).
Blom, M. T., Chmela, E., Oosterbroek, R. E., Tijssen, R., van den Berg, A. On-Chip Hydrodynamic Chromatography Separation and Detection on Nanoparticles and Biomolecules. Anal. Chem. 75 (24), 6761-6768 (2003).
Betteridge, D., Fields, B. Construction of pH Gradients in Flow-Injection Analysis and Their Potential Use for Multielement Analysis in a Single Sample Bolus. Anal. Chem. 50 (4), 654-656 (1978).
Trojanowicz, M., Kołacińska, K. Recent advances in flow injection analysis. Analyst. 141, 2085-2139 (2016).
Ajdari, A., Bontoux, N., Stone, H. A. Hydrodynamic Dispersion in Shallow Microchannels: The Effect of Cross-Sectional Shape. Anal. Chem. 78 (2), 387-392 (2006).
Dutta, D., Ramachandran, A., Leighton, T. D. Jr Effect of channel geometry on solute dispersion in pressure-driven microfluidic systems. Microfluid Nanofluid. 2 (4), 275-290 (2006).
Bontoux, N., Pépin, A., Chen, Y., Ajdari, A., Stone, H. A. Experimental characterization of hydrodynamic dispersion in shallow microchannels. Lab Chip. 6, 930-935 (2006).
Vedel, S., Bruus, H. Transient Taylor-Aris dispersion for time-dependent flows in straight channels. J. Fluid Mech. 691, 95-122 (2012).
Aminian, M., Bernardi, F., Camassa, R., McLaughlin, R. M. Squaring the Circle: Geometric Skewness and Symmetry Breaking for Passive Scalar Transport in Ducts and Pipes. Phys. Rev. Lett. 115, 154503 (2015).
Aminian, M., Bernardi, F., Camassa, R., Harris, D. M., McLaughlin, R. M. How boundaries shape chemical delivery in microfluidics. Science. 354 (6317), 1252-1256 (2016).
Taylor, G. I. Dispersion of soluble matter in solvent flowing slowly through a tube. P Roy Soc Lond A Mat. 219 (1137), 186-203 (1953).
Stone, H. A., Stroock, A. D., Ajdari, A. Engineering Flows in Small Devices: Microfluidics Toward a Lab-on-a-Chip. Annu. Rev. Fluid Mech. 36, 381-411 (2004).
Davis, M. E., Davis, R. J. Fundamentals of chemical reaction engineering. , McGraw-Hill Higher Education. New York, NY. (2003).
Barton, N. On the method of moments for solute dispersion. J. Fluid Mech. 126, 205 (1983).

Engineering

פעפוע של המשדרים פסיבי בזרימת הטיה למינריות

Summary

Abstract

Introduction

Protocol

Representative Results

Discussion

Disclosures

Acknowledgments

Materials

References

Tags

Cite this Article

Summary

Abstract

Introduction

Protocol

Representative Results

Discussion

Disclosures

Acknowledgments

Materials

References

Tags

Cite this Article

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.