Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Engineering
Click here for the English version

Engineering

Diffusion af Passive røbestoffer i Laminar Shear Flow

Published: May 1, 2018 doi: 10.3791/57205
Automatic Translation
1,2, 1, 1, 1,3, 1
1Department of Mathematics, University of North Carolina at Chapel Hill, 2Department of Mathematics, Colorado State University, 3School of Engineering, Brown University

Summary

En protokol til undersøgelse af udbredelsen af passive røbestoffer i laminar pres-drevet flow er præsenteret. Proceduren kan anvendes til forskellige kapillær pipe geometrier.

Abstract

En simpel metode til eksperimentelt observere og måle spredningen af en passiv tracer i en laminar flydende flow er beskrevet. Metoden består af første injektion fluorescerende farvestof direkte ind i et rør fyldt med destilleret vand og gør det muligt at diffuse på tværs af tværsnit af røret til at opnå en ensartet fordelt startbetingelse. Efter denne periode, laminar flow er aktiveret med en programmerbar sprøjten pumpe til at overholde konkurrence af advektion og spredningen af tracer gennem røret. Skævheder i tracer distribution studeres og korrelationer mellem rør tværsnit og formen af fordelingen er vist: tynde kanaler (formatforhold << 1) producere røbestoffer ankommer med skarpe fronter og tilspidset hale ( front-loaded distributioner), mens tyk kanaler (formatforhold ~ 1) præsenterer den modsatte adfærd (slutbelastet distributioner). Forsøgsmetoden påføres kapillarrør i forskellige geometrier og er særligt relevante for mikrofluid programmer af dynamiske lighed.

Introduction

I de seneste år, har betydelig indsats været fokuseret på at udvikle mikrofluid og lab-on-chip-enheder, der kan reducere omkostninger og øge produktiviteten i kemiske forberedelse og diagnostik for en vifte af applikationer. En af de vigtigste elementer i mikrofluid enheder er pres-drevet transport af væsker og opløst opløste stoffer gennem microchannels. I denne sammenhæng er det blevet stadig vigtigere for bedre at forstå de kontrollerede levering af opløste stoffer på individuel. Især kræver programmer såsom kromatografisk separation1,2 og mikrofluid flow injektion analyse3,4 bedre kontrol og forståelse af opløste levering. Forskere i mikrofluidik har undersøgt og dokumenteret tværsnits kanalform indflydelse på opløst stof sprede5,6,7,8, og rollen som kanalens højde-breddeforhold 9 , 10.

Analytiske og numeriske undersøgelser af opløste breder sig langs kanaler har for nylig føre til identifikation af en korrelation mellem rør tværsnits geometri og formen af distribution9,10. På tidlige tidsskalaer, fordelingen kraftigt afhænger geometri: rektangulære rør bryde symmetrien næsten øjeblikkeligt, mens elliptisk rør bevarer deres oprindelige symmetri meget længere9. På den anden side skrider ind længere tidsskalaer asymmetrier i opløste distributionen ikke længere skelne mellem ellipser rektangler, og fastsættes udelukkende af tværsnits skærmformat λ (forholdet mellem kort og lang side). I betragtning af "rør" elliptisk tværsnit og "kanaler" rektangulært tværsnit, forudsigelser fra numeriske simulationer og asymptotisk analyse var benchmarkes med laboratorieforsøg. Tynde kanaler (formatforhold << 1) producere opløste stoffer ankommer med skarpe fronter og tilspidset hale, mens tyk kanaler (formatforhold ~ 1) præsenterer den modsatte adfærd10. Denne robuste effekt er relativt ufølsomme over for de oprindelige betingelser og kan bruges til at hjælpe med at vælge den opløste distribution profil kræves for enhver ansøgning.

Funktionen skitseret ovenfor af sortering tynd versus tyk domæner sker før den klassiske "Taylor spredning" regime er nået. Taylor dispersion refererer til øget spredning af passive opløste stoffer i laminar flow (stabil på lavt Reynolds tal, Re) med en styrket effektiv diffusivity, omvendt proportional med den opløst stof molekylære diffusivity κ11. Denne forbedring er observeret kun efter lange, diffuserende tidsskalaer, når opløst stof er spredt på tværs af kanalen. Sådanne diffuserende tidsskalaen er defineret i forhold til den karakteristiske længde skala en geometri, som td = en2/κ. Péclet er et nondimensional parameter, der måler den relative betydning af væske advektion diffusion virkninger. Vi definerer denne parameter med hensyn til de korteste længde skala som Pe = Ua/κ, hvor U er den karakteristiske flow hastighed. (Reynolds tal kan defineres i forhold til Péclet antallet da Re = Pe κ/ν, hvor ν er den kinematiske viskositet af væsken.) Typiske Péclet talværdier for mikrofluid programmer12 varierer mellem 10 og 105, med molekylære diffusivities spænder fra 10-7 til 10-5 cm2/s. dermed givet flow hastigheder og længde skalaer af interesse, det er afgørende at forstå opførslen af opløste stoffer for mellemliggende til lange tidsfrister (i forhold til diffuserende tidsskalaen), godt forbi de første observationer af geometri-drevet adfærd og ind i de universelle for en stor klasse drevet Cross-Country section regimer af geometrier.

Da interessen for mikrofluid programmer, valget af stor skala eksperimentel opsætning kan på først synes unaturligt. Eksperimenter rapporteret heri er på millimeter skala, ikke på individuel som i sande mikrofluid enheder. Men de samme fysiske adfærd karakteriserer både systemer og en kvantitativ undersøgelse af de relevante fænomener kan stadig nås ved korrekt skalering de styrende ligninger, ligesom skalamodeller af fly er vurderet i vindtunneler under projektering fase. Især garanterer matchende relevante nondimensional parametre (f.eks. Péclet nummer til vores eksperiment) tilpasningsevne af den eksperimentelle model. Arbejde på sådanne større skalaer, tilbyder bibeholder en laminar pres-drevet strøm, flere fordele sammenlignet med en traditionel individuel opsætning. Især det udstyr, der kræves til fremstilling, udføre, og visualisere nuværende eksperimenter er lettere at betjene og mindre omkostningskrævende. Desuden er andre fælles udfordringer ved at arbejde med microchannels, såsom hyppig tilstopning og øget indflydelse fremstilling tolerancer, afbødes med større opsætningen. En anden mulig brug for denne eksperimentelle setup er for studier af residence tid distribution (FTU) i laminar flow13.

De skævheder, der opstår i den opløste distribution nedstrøms kan analyseres via dens statistiske øjeblikke; især er den skævhed, der defineres som den centreret, normaliserede tredje øjeblik, den laveste orden integreret statistik måling asymmetri af en fordeling. Tegnet af skævheden indikerer typisk form af distribution, dvs. Hvis det er front-loaded (negativ skævhed) eller slutbelastet (positiv skævhed). Fokusere på størrelsesforhold af kanalerne, er der et klart sammenfald tynde geometrier med front-loaded distributioner, og tyk geometrier med slutbelastet distributioner10. Derudover kan en kritisk aspekt ratio adskiller disse to modsatte adfærd beregnes for både elliptisk rør og rektangulære kanaler. Sådanne crossover aspektforhold er bemærkelsesværdigt ens til standard geometrier, navnlig λ * = 0.49031 til rør og λ * = 0.49038 for kanalerne, suggestive om universalitet teori10.

Eksperimentel opsætning og metode beskrevet i denne hvidbog er brugt til at studere spredning af en pres-drevet passiv opløst i laminar væske strømme hele glas kapillærer forskellige tværsnit. Enkelhed og reproducerbarhedsværdierne af eksperimentet definerer en robust metode til analyse for at forstå sammenhængen mellem en pipe geometriske tværsnit og den resulterende figur af den injicerede opløste distribution som det transporteres nedstrøms. Metoden drøftet i dette arbejde er blevet udviklet let benchmark matematiske og numeriske resultater i en fysisk laboratorium indstilling.

En simpel forsøgsmetoden er beskrevet, som fremhæver en fluidic kanal tværsnits formatforhold i indstilling figuren af en opløste distribution nedstrøms endelige rolle. Opsætningen af eksperimenterende kræver en programmerbar sprøjten pumpe til at producere en laminar lind strøm, glat glas rør af forskellige tværsnit, en anden sprøjten pumpe for at injicere det spreder opløst stof (fx. fluorescein farvestof) i de omkringliggende laminar flow, og UV-A lys og et kamera til at optage det opløste evolution. CAD-filer leveres til alle de brugerdefinerede dele af opsætningen og sådanne filer kan bruges til 3D-print den eksperimentelle dele forud for forsamlingen.

Protocol

1. Forberede dele til at bygge den eksperimentelle setup

  1. Udnytte de 3D CAD tegninger fastgjort (.stl format) til 3D-print en injektor indlæg, et reservoir, et sekskantet stik og to plader anvendes som mounts til rørene (to for hver geometri).
    Bemærk: Alternativt, visse dele af installationen kan være laser-cut. I denne rapport, pladsen tykke rør har været monteret med laser-cut plader, mens den rektangulære tynde rør har været monteret med 3D-trykte plader.
  2. Få glat glas kapillær rør af den ønskede geometri.
    Bemærk: I denne betænkning bruges to rør geometrier: 30 cm lang pibe med kvadratisk tværsnit-interne tværsnit 1 mm x 1 mm, og vægtykkelsen 0,2 mm; 30 cm lang pibe med rektangulært tværsnit-interne tværsnit 1 mm x 10 mm, og vægtykkelsen 0,7 mm. Den firkantede rør er fremover benævnt det tykke rør, mens den rektangulære rør er omtalt som den tynde rør.

2. Montering af opsætningen af eksperimenterende

  1. Aflytning af de 3D-trykt dele
    1. Tryk på injektor post på begge sider med en 1/8"(0,32 cm) NPT tap hvor injektion nål og farvestof input vil blive installeret. Tryk på reservoir i ryggen med en 10-32 tryk hvor den dræning rør vil blive installeret.
    2. Tryk på de fire skruehuller med en 6-32 Tryk på forsiden af reservoiret. Tryk på den sekskantede stik brik på top og bund med et 6-32 tryk.
  2. Forberede de tappet 3D-trykt dele
    1. Injektor indlæg
      1. Dække tråde af en pigtråd slange montering med PTFE sealing tape. Skru rede montering på injektor post tilbage hullet. Skære en 30 cm lang stykke af plastslanger (indre diameter 3.30 mm). Læg røret på slange-adapter.
      2. Dække tråde af rustfrit stål udlevering nålen (ydre diameter 0.71 mm) med PTFE sealing tape. Skrue rustfrit stål udlevering nålen på den front (store) hul på injektor indlæg.
    2. Reservoir
      1. Dække tråde af en lille pigtråd slange montering med PTFE sealing tape. Skru rede montering på ryggen hullet af reservoir (mindre hul).
      2. Skære en 30 cm lang stykke af plastslanger (indre diameter 3.30 mm). Læg røret på slange-adapter. Lukke anden enden af røret med en lille Hue.
        Bemærk: Dette vil være den dræning system for reservoiret.
      3. Placere en gummi O-Ring (olie-resistent Buna-N O-Ring, 1/16"(0.16 cm) fraktioneret bredde, Dash antallet 016) i den cirkulære recession i røret side af reservoiret.
    3. Sekskantet stik
      1. Dække tråde af en lille pigtråd slange montering med PTFE sealing tape. Skru rede montering på bunden hul af den sekskantede stik.
      2. Skære en 30 cm lang stykke af plastslanger (indre diameter 3.30 mm). Læg røret på slange-adapter.
      3. Dække en slange adapter med PTFE forsegling tape. Sørg for at dække Overgangsstikket slange går imod trådene.
      4. Skære en 4 cm lang stykke af plastslanger (indre diameter 3.30 mm). Læg røret på slange-adapter.
  3. Forberede røret
    1. Distribuere et tyndt lag af RTV gummi fugemasse 2 mm fra hver ende af røret. Sprede fugemasse jævnt omkring ydersiden af røret og sørg for ikke at hindre pipe adgangen med fugemasse.
    2. Montere røret ind på 3D-trykt pladerne ved at indsætte det omhyggeligt i forskårne hullerne på 3D-trykt pipe-adaptere. Sørg for at skubbe røret i mindst 2 mm, således at fugemassen langs hver side kontakter med pladerne.
    3. Omhyggeligt sprede fugemasse på kanten af pladen, således at røret får forseglet i udskæring. Vent mindst 12 timer for fugemasse til fuldt vulkanisere således forsegling røret på pladerne.
  4. Måle 0.40 g fluorescein pulver til at forberede farvestof løsning. Fortynde pulver til 0,50 L destilleret vand til at opnå den ønskede farvestof koncentration (0,80 g/L koncentration).
    Bemærk: Diffusivity af fluorescein i vand er anslået ved at udføre en mindste-kvadraters passer den analytiske udtryk for den anden øjeblik af cross-sectionally gennemsnit tracer distribution i cirkulære rør geometri14 til den eksperimentelle måling af den samme mængde. Den molekylære diffusion koefficient skønnes for at være κ = 5,7 x 10-6 cm2/s, i overensstemmelse med tidligere udgivne værdier af diffusivity af fluorescein i rent vand.
  5. Forsamling
    1. Sprøjten pumpe en opsætning
      1. Fyld en 12 mL plastik sprøjte med en gummi stemplet med destilleret vand. Indsæt en plastik udlevering tip på sprøjten. Montere sprøjte på sprøjten pumpe A. slut sprøjten til den 30 cm lange rør indsat i bunden af den sekskantede stik.
      2. Fyld en 1 mL plastik sprøjte med en gummi stemplet med destilleret vand. Montere sprøjte på sprøjten pumpe A. Cut en 30 cm lang stykke plastslanger (indre diameter 3.30 mm). Vedhæft den til 1 mL plastik sprøjten.
        Bemærk: Begge injektionssprøjter fyldt med destilleret vand er monteret på sprøjten pumpe A. Da pumpen er aktiveret, vil vandet blive bortvist fra både sprøjter. Den første, der skal bruges er 12 mL sprøjte, så 1 mL sprøjten skal være tilsluttet en dræning rør til at undgå vand spild. Dette trin er ikke nødvendigt for den tynde rektangulære rør.
    2. Injektor Setup
      1. Fyld en 3 mL plastik sprøjte med en gummi stemplet med fluorescein løsning. Indsæt en plastik udlevering tip på sprøjten.
      2. Vedhæfte røret tilsluttet til bagsiden af injektoren farvestof sprøjten.
      3. Fyld injektor post med farvestof løsning af manuelt intravenøs farvestof gennem sprøjten mens du holder injektor post vandret (dvs. med nålen orienterede opad og over sprøjten). Holde skubbe på sprøjten, indtil injektoren er helt fuld af farve og ingen luft er fanget inde.
      4. Montere sprøjte på sprøjten pumpe B. klemme injektoren post til kanten af lab bænk på en måde, at det kan nås med røret tilsluttet sprøjten pumpe.
      5. Indsætte små skiver på fire lange skruer (rustfrit Pan hoved Phillips maskinskruer 6-32 tråd, 2-1/4"(5,76 cm) længde). Indsæt de fire skruer i de fire huller omkring nålen.
        Bemærk: Sørg for hovedet af skruen er på bagsiden af injektor post (på samme side som rør forbundet til farvestof sprøjte).
    3. Sekskantet stik
      1. Placer to O-ringe (olie-resistent Buna-N O-Ring, 1/16"(0.16 cm) fraktioneret bredde, Dash antallet 016) i de cirkulære udskæringer på hver side af det sekskantede stik.
      2. Vedhæfte den sekskantede stik til injektor indlæg ved at tilpasse sine huller til de fire skruer og indsætte det på dem. Sørg for at have siden med den større hul vender injektor indlæg. Kontrollere og sikre, at o-ringen ikke bevæger sig ud af sted når fastspændt mellem de to dele.
    4. Rør
      1. Vedhæft en af ende-pladerne tilsluttet røret til den sekskantede stik ved at tilpasse sine huller til de fire skruer og indsætte det på dem. Betale meget opmærksom på nålen, som skal angive rør som monteres.
      2. Sikre de fire lange skruer for at komprimere sammen injektoren, den sekskantede stik og rør-adapterpladen ved at knytte fire 6-32 rustfrit stål nødder til slutningen af de lange bolte. Sikre, at O-ringene ikke flytte sin plads når fastspændt mellem delene.
      3. Vedhæfte den modsatte ende af røret til reservoiret ved hjælp af fire korte skruer og skiver (rustfrit Pan hoved Phillips maskinskruer 6-32 tråd, 1/2"(1,27 cm) længde). Kontroller, at o-ringen ikke bevæger sig ud af sted når komprimeret mellem de to dele.
    5. Klemme reservoir til tabellen. Kontroller, at reservoiret er justeret med injektor indlæg ikke bøje i røret.
    6. Luft udsugning: Indsæt en plastik udlevering spidsen ind i rør forbundet til toppen af den sekskantede stik. Vedhæfte en 3 mL sprøjten til den plastik tip.
      Bemærk: Denne sprøjte vil blive brugt til at udtrække enhver luftbobler fanget i systemet.
    7. Lys og kamera
      1. Sted to 61 cm lange UV-A rør lys på hver side af den eksperimentelle setup.
        Bemærk: Der er et specielt designet spor på hver side af både injektor og reservoir. Eksperimentet skal køres i mørke med UV-A rør lys tændt.
      2. Placere et kamera med hukommelseskort over opsætningen af eksperimenterende vender nedad.
        Bemærk: Kameraet skal være placeret mindst 1 m over røret. På denne måde, vil rammen omfatter hele pibe længde. En DSLR kamera blev brugt med en linse af justerbar brændvidde, 24-120 mm.
      3. Programmere kameraet ved hjælp af en remote trigger til at tage billeder hver 1 s med blænde 5.6f, lukkertid 5 og ISO 200.

3. Eksperimentel køre

  1. Opsætning
    1. Fyld beholderen med destilleret vand til et niveau lidt over røret. Fylde røret med destilleret vand ved at trykke på sprøjten pumpe. Tænde UV-A rør lys og trække mørklægningsgardiner.
    2. Køre programmerbare sprøjten pumpe A til flush røret af enhver resterende farvestof.
    3. Tage en enkelt reference billede af røret fyldt med ren destilleret vand.
      Bemærk: Dette er referencen skud, der skal bruges i databehandlingen trin senere. Dette billede skal tages i mørke i forhold så ens som muligt til den eksperimentelle run.
    4. Skift røret tilslutning til injektor post til 1 mL sprøjten monteret på sprøjten pumpe A. Connect 12 mL sprøjten til afdrypning tube (tidligere tilsluttet 1 mL sprøjte).
      Bemærk: Dette trin er ikke nødvendigt for den tynde rektangulære rør.
  2. Oprindelige tilstand
    1. Indsprøjtes en 1 mm tyk klat af farvestof (3 mm tykke til det tynde rektangulære rør) i røret ved at køre analog sprøjten pumpe B.
      Bemærk: Dette trin opretter farvestof startbetingelse. Farvestof indsprøjtes afhænger af geometrien af røret anvendes. Det tynde rør kræver et større beløb af farvestof, fordi dens tværsnitsareal er større. Inden det eksperimentelle kører, farvestoffet bliver nødt til at diffuse i hele tværsnittet og indsprøjte et større beløb af farvestof sikrer, at det bliver lyst nok til at blive fanget i fotografier, selv efter at det har spredt.
    2. Programmet sprøjten pumpe A at injicere destilleret vand på meget langsom strømningshastigheden af 0.193 mL/h til den tykke firkantede rør (strømningshastigheden er 1.93 mL/h til den tynde rektangulære rør). Køre sprøjten pumpe for 5 min at tillade bolus farvestof transporteres ned i røret fra nålen.
      Bemærk: Efter 5 min, farvestoffet skal være ca 1 cm fra nålen. Stigningen i strømningshastigheden af en størrelsesorden til de tynde rør er fordi mængden af de tynde rør er 10 gange, den tykke rør.
    3. Træk farvestof sprøjten baglæns manuelt, og sørg for farvestoffet ikke når nålen.
      Bemærk: Dette vil sikre, at der er destilleret vand ved slutningen af nålen, så at ikke flere farve vil være spredt i røret under det eksperimentelle run.
    4. Vent til et tidspunkt tw > t *d for dye bolus at udbrede på tværs af tværsnit af røret.
      Bemærk: Diffuserende tid t *d = b2/κ mener den karakteristiske længde b at være halv længe tværsnits side. Denne måde computing ventetiden er generaliserbart til enhver tværsnit med et passende valg af b. For vores repræsentative resultater var vent gang 15 min. til den tykke firkantede rør og 15 h til den tynde rektangulære rør.
  3. Flow
    1. Programmet sprøjten pumpe A den ønskede strømningshastigheden i 1.93 mL/h til tykke firkantede rør og 19,3 mL/h til den tynde rektangulære rør.
    2. Start sprøjten pumpe og fjernbetjening udløseren på kameraet på samme tid. Eksperiment i 5 min, med et interval mellem billeder af 1 s.
    3. Tænd værelse lys og tage et billede af en lineal placeret på samme højde som rør og parallelt med den.
      Bemærk: Dette vil hjælpe med at bestemme længden skala (pixels/mm) bruges i behandling af personoplysninger.

4. databehandling

  1. Uddrag hukommelseskortet fra kameraet og downloade data til en computer, hvor billedbehandling software vil blive brugt til at analysere det.
  2. MATLAB analyse
    1. Først trække reference billede skud (snappede i trin 3.1.3) fra de første eksperimenterende billede.
    2. Beskære billedet langs de øvre og nedre kanter af røret. Sørg for at rotere billedet, hvis røret ikke er justeret med rammen.
    3. Summen intensitet læsning af den grønne kanal lodret i det resulterende billede.
      Bemærk: Dette er proportionalt med det samlede tværsnits farvestof intensitet som funktion af længde langs røret.
    4. Konverter enheder af længde fra pixels til mm ved hjælp af den fysiske længde skala fra kalibrering billede (Se trin 3.3.3).
    5. Gentag for alle resterende billeder. Dette resulterer i en tidssekvens af kurver måler den samlede farvestof koncentration langs længden af røret.

Representative Results

Den eksperimentelle opsætning efter forsamling er vist i figur 1. Billeder produceret i MATLAB Vis eksperimentelle data over forarbejdede udviklingen i koncentrationen kurve (figur 2) for tre ikke-dimensional gange. Vi har kontrolleret, at der er en lineær relation mellem tracer intensitet og koncentration. Form af distribution ændringer som tiden går og farvestof bolus flytter nedstrøms. Figur 2 viser sådanne evolution i tynd rektangulær kanalen geometri. Den indledende farvestof fordeling er smalle og symmetrisk (Gauss-lignende forhold til længderetning og næsten ensartet i tværsnit, figur 2 venstre), men symmetri er brudt næsten straks som baggrund flow starter. Fordelingen bryder symmetrien af præsenterer en skarp front og lang tilspidset hale (figur 2, midterste og højre).

De eksperimentelle resultater bekræftes af Monte Carlo simuleringer udføres matcher den oprindelige fordeling og flow sats (figur 3). Monteret værdien for dye diffusivity κ var bestemt i et uafhængigt eksperiment (trin 2.4 i protokollen) og bruges i denne sammenligning. Monte Carlo metoder bruges ofte til at simulere udviklingen af advektion-diffusion problemer der involverer komplekse geometrier som randbetingelser (homogene Neumann i dette tilfælde) kan simpelthen input som billard som refleksion regler. Fremgangsmåde er at prøve erkendelser af de tilsvarende stokastiske differentialligning underliggende advektion-diffusion ligningen i nondimensional form:

Equation 1

hvor T(x,y,z,t) er tracer distribution, τ er nondimensional gang normaliseret af td, x er den langsgående rumlige koordinat, y er den korte tværgående koordinat, og z er den lange tværgående koordinat, alle normaliseret af den korte side en. Flydende flow u(y,z) er laminar steady-state løsningen til Navier-Stokes ligninger med no-slip randbetingelser (ingen flow på væggen), drevet af en negativ trykgradient. En Gaussisk startdata i røret længderetning med en ønskede varians kan fås ved at betragte kun diffusion (Pe = 0) og udvikler partiklerne til den ønskede tid til at matche bredden af den oprindelige forsøgsdata9,10 . Disse repræsentative resultater blev opnået ved hjælp af flow sats værdier angivet i protokollen, men vi forventer lastning fænomener observeret for at holde generelt for laminar regime10 (figur 3).

Figure 1
Figur 1 : Eksperimentel opsætning. (A) diagram af opsætningen af eksperimenterende. Dette tal er blevet ændret fra Aminianmfl. 10. (B) præsentation af den faktiske installationsprogrammet. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.

Figure 2
Figur 2 : Snapshots af forarbejdede data på forskellige tidspunkter. Øverste række: foto af farvestof koncentration spredt langs tværsnit af røret observeret normalt til den lange tværsnits retning at øge ikke-dimensional gange. Den lodrette akse er blevet skaleret 5 gange af hensyn til klarheden. Bund: intensiteten af farvestof koncentration beregnet opsummering langs den lange tværsnits retning. Spidsværdien er normaliseret. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.

Figure 3
Figur 3 : Sammenligning af koncentration fordelingen mellem Monte Carlo simuleringer og eksperimenter. Udviklingen af cross-sectionally gennemsnit farvestof koncentrationen langs længderetningen længden af røret er vist på to øjeblikke i tid: τ = 0,15 og τ = 0,30. De stiplede linjer er simulationsresultaterne, mens de ubrudte linjer repræsenterer de eksperimentelle data. Top: sammenligning i den tykke (firkantede) kanal; nederst: sammenligning i den tynde (rektangulære) kanal. Området under hver kurve er normaliseret for at være en og x = 0 svarer til midten af den første stik af farvestof. Dette tal er blevet ændret fra Aminianmfl. 10. venligst klik her for at se en større version af dette tal.

Supplerende fil 1 . Inkluderet CAD tegninger af 3D sekskantede stik (hex_connector_3D.STL)

Supplerende fil 2 . Inkluderet CAD tegninger af 3D injektor Post (injector_post_3D.STL)

Supplerende fil 3 . Inkluderet CAD tegninger af 3D Reservoir (reservoir_3D.STL)

Supplerende fil 4 . Inkluderet CAD tegninger af 3D tykke rør plader (plate_thick_3D.STL)

Supplerende fil 5 . Inkluderet CAD tegninger af 3D tynde rør plader (plate_thin_3D.STL)

Discussion

Efter intravenøs farvestof ind i røret, transporteres bolus væk fra injektion nålen ved hjælp af en lind strøm. Så, er det nødvendigt at vente længe nok for farvestof at udbrede på tværs af tværsnit af kanalen. På denne måde et ensartet Gaussisk-lignende distribution er opnået og vil tjene som den første betingelse for eksperimentet. Dermed oprettes en laminar baggrund flow med programmerbare sprøjten pumpe. Den eksperimentelle køre varer for 5 min med billeder taget hvert sekund.

De mest almindelige problemer i opsætningen kommer fra tilslutning af delene og rør. De forskellige 3D-trykt dele skal være forseglet korrekt, når tilsluttet til at undgå utæt. Glas rør er meget delikat og skal være håndteret og installeret med omhu.

Et problem, vi stødte på når overgang fra tynd rektangulær røret til den tykke firkantede rør var relateret til det faktum at rør volumen var reduceret med en faktor på 10. For at opretholde den samme tværsnits gennemsnitlige flow hastighed med den monteret 12 mL sprøjten, stemplet hastighed i sprøjten pumpe A skulle have være meget lav. Denne programmerede hastighed, stemplet hastighed var ikke ensartet længere og en lind strøm kan ikke garanteres i hele den eksperimentelle run. Derfor, vi skiftede til en meget mindre 1 mL sprøjte når du arbejder med den tykke firkantede rør i trin 2.5.1.

Også, bør man kontrollere at den gennemsnitlige intensitet langs den lodrette dimension af rør i den første betingelse er omtrent ensartet. Hvis ikke, en filtrering maske skal anvendes på tværs af alle rammer for at tage højde for denne uoverensstemmelse.

Den mindste gentagelig del af forsøget er farvestof injektion (og dermed bredden af den oprindelige fordeling). Som illustreret tidligere, er det ikke en bekymring for matchende med Monte Carlo simuleringer, som den eksperimentelle startbetingelse kan genskabes ved hjælp af en analyse af den oprindelige fotografi. Dye injektion og deraf følgende manuel fratagelse kan ikke altid producere farvestof stik af netop den samme bredde. Særlige plejebehov skal anvendes, når du opretter den oprindelige farvestof bolus. Forsøget bliver mere gentagelig som forskere få erfaring i denne del af protokollen, men kunne helt sikkert blive foretaget fremtidige forbedringer.

Når man sammenligner setup med mikrofluid enheder, den eneste parameter, der vises i de styrende ligning når korrekt nondimensionalized er Péclet nummer Pe hvis sporstof er passiv, er dvs tracer evolution frakoblet fra strømmen. Dynamisk ligheden ligger implicit i antagelsen af lav Reynolds (Re << 1) som sikrer stabil laminar flow u(y,z). Disse to parametre angiver den fulde lighed mellem mikrofluid opsætninger og skalaerne i vores eksperiment. I praksis begrænser den fysiske længde af røret kun de nondimensional gange vi kan sikkert komme med vores setup. For meget sent ikke-dimensional gange, kan den nødvendige længde af røret blive uoverkommeligt lang til en fast Péclet nummer i denne store opsætning.

En indlysende begrænsning af denne forsøgsplan er, at de indsamlede data er en forventet 2D repræsentation af 3D geometri, som billederne er taget oppefra og ned på røret. Den aktuelle proces kun giver mulighed for at få udviklingen af cross-sectionally gennemsnit farvestof distribution. At opnå en fordeling, der er defineret på hvert sted i røret i stedet for på dens tværsnits gennemsnit og sammenligning med teoretisk og numerisk forudsigelser er genstand for igangværende forskning.

Alle de eksperimentelle setup dele har tekniske tegninger tilgængelig for download, hvilket gør setup, let tilgængelige og kan tilpasses af enhver interesseret forsker. Bygger på de nuværende resultater, vil samme setup blive brugt til at studere mere komplekse og uudforskede pipe geometrier samt forskellige flow regimer.

Disclosures

Forfatterne har ikke noget at oplyse.

Acknowledgments

Vi anerkender finansiering fra Office of Naval Research (grant DURIP N00014-12-1-0749) og National Science Foundation (tilskud RTG DMS-0943851, CMG ARC-1025523, DMS-1009750 og DMS-1517879). Derudover anerkender vi arbejdet af Sarah C. Burnett der hjalp med at udvikle en tidlig version af eksperimentel opsætning og protokol.

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

  1. Dutta, D., Leighton, D. T. Jr Dispersion in Large Aspect Ratio Microchannels for Open-Channel Liquid Chromatography. Anal. Chem. 75 (1), 57-70 (2003).
  2. 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).
  3. 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).
  4. Trojanowicz, M., Kołacińska, K. Recent advances in flow injection analysis. Analyst. 141, 2085-2139 (2016).
  5. 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).
  6. 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).
  7. 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).
  8. Vedel, S., Bruus, H. Transient Taylor-Aris dispersion for time-dependent flows in straight channels. J. Fluid Mech. 691, 95-122 (2012).
  9. 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).
  10. 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).
  11. 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).
  12. 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).
  13. Davis, M. E., Davis, R. J. Fundamentals of chemical reaction engineering. , McGraw-Hill Higher Education. New York, NY. (2003).
  14. Barton, N. On the method of moments for solute dispersion. J. Fluid Mech. 126, 205 (1983).

Tags

Teknik spørgsmålet 135 passiv tracer advektion mikrofluidik diffusion symmetri bryde skævhed Monte Carlo eksperimentelle fluid dynamik
Diffusion af Passive røbestoffer i Laminar Shear Flow
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Aminian, M., Bernardi, F., Camassa,… More

Aminian, M., Bernardi, F., Camassa, R., Harris, D. M., McLaughlin, R. M. The Diffusion of Passive Tracers in Laminar Shear Flow. J. Vis. Exp. (135), e57205, doi:10.3791/57205 (2018).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

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

Waiting X
Simple Hit Counter