Laminer kesme akışı pasif izleyiciler Difüzyon

Manuchehr Aminian; Francesca Bernardi; Roberto Camassa; Daniel M. Harris; Richard M. McLaughlin

doi:10.3791/57205

Yöntem makalesi

Laminer kesme akışı pasif izleyiciler Difüzyon

10K görüntüleme

⸱

DOI:

10.3791/57205

⸱

1 Mayıs 2018

Manuchehr Aminian¹^,² , Francesca Bernardi¹ , Roberto Camassa¹ , Daniel M. Harris¹^,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

Bu makalede

Özet

Laminar akışı basınç tahrik pasif izleyiciler Difüzyon incelenmesi için bir protokol sunulmuştur. Çeşitli Kılcal Boru geometrileri için uygun bir yöntemdir.

Özet

Deneysel olarak gözlemlemek ve laminer sıvı akışı pasif izleyici dağılımını ölçmek için basit bir yöntem açıklanır. Yöntemin ilk doğrudan distile su ile dolu bir boru floresan boya enjekte ve düzgün dağıtılmış bir başlangıç durumu elde etmek için boru kesit yaygın izin oluşur. Bu süre sonrasında, laminar akış advection rekabet ve Difüzyon borudan izleyici ve gözlemlemek için programlanabilir şırınga pompa ile etkinleştirilir. İzleyici dağıtım asimetriler okudu ve boru kesit ve dağıtım şekli arasındaki bağıntıları gösterilir: ince kanalları (en boy oranını << 1) ile keskin Cephelerden gelen ve sivrilen kuyrukları (izleyiciler üretmek ön dağıtımları), kalın kanalları (en boy oranı ~ 1) karşı davranış (geri yüklemeli dağıtımları) mevcut iken. Deneysel işlemin çeşitli geometrileri kılcal tüpler için uygulanan ve özellikle dinamik benzerliklerine göre mikrosıvısal uygulamalar için geçerlidir.

Giriş

Son yıllarda önemli çabalar odaklanmış oldum mikrosıvısal ve maliyetleri azaltmak ve kimyasal hazırlama ve bir uygulama yelpazesi için tanılama verimliliğini artırmak laboratuvar-on-chip cihazların geliştirilmesi üzerinde. Bir mikrosıvısal cihazların ana özellikleri sıvıların basıncı temelli taşıma ve solutes mikro aracılığıyla çözünmüş. Bu bağlamda, solutes microscale, kontrollü teslimat daha iyi anlamak giderek önem kazanmıştır. Özellikle, Kromatografik ayırma¹^,² mikrosıvısal akış enjeksiyon analiz³^,ve⁴ gibi uygulamalar geliştirilmiş kontrol ve çözünen teslim anlayış gerektirir. Havacilik araştırmacılar okudu ve kanalın kesit şekli etkisi⁵^,⁶^,⁷^,⁸ve kanalın en boy oranını rolü yayılan çözünen belgelenen ⁹ ^, ¹⁰.

Çözünen kanalları yayılma analitik ve sayısal çalışmalar son zamanlarda boru kesit geometri ve dağıtım⁹^,¹⁰şeklinde arasında bir ilişki tanımlaması için yol. Erken zaman ölçekleri dağıtımı kuvvetle geometri üzerinde bağlıdır: dikdörtgen borular kırmak simetri hemen, eliptik borular onların ilk simetri kadar uzun⁹korumak iken. Öte yandan, asimetriler çözünen dağıtım artık üç noktalar dikdörtgenler ayırt etmek ve kesit en boy oranını λ (kısa ve uzun taraf oranı) tarafından yalnızca ayarlanır uzun timescales içine ilerliyor. Eliptik kesit "boru" ve "dikdörtgen kesit kanalları" göz önüne alındığında, Öngörüler sayısal simülasyonlar ve asimptotik analiz laboratuvar deneyleri ile benchmarked. İnce kanalları (en boy oranını << 1) keskin cepheler ile gelen ve kuyrukları, kalın kanalları süre sivrilen solutes üretmek (en-boy oranı ~ 1) karşı davranış¹⁰mevcut. Bu güçlü etkisi için başlangıç koşullarını nispeten büyük küçük harf duyarlı ve herhangi bir uygulama için gerekli çözünen dağıtım profili seçmek yardımcı olmak için kullanılır.

Klasik "Taylor dispersiyonu" rejimi ulaşılmadan ince kalın etki alanları sıralama yukarıda özetlenen davranış olur. Taylor dağılım gösterir gelişmiş, laminar akışı pasif solutes yaymak için (düşük Reynolds numaradan istikrarlı Re) ile arttırdı etkili yayınım, çözünen'ın moleküler yayınım κ¹¹' e ters orantılı. Çözünen kanal boyunca yayılmış zaman bu geliştirmeyi yalnızca, diffusive uzun zaman sonra görülmektedir. Bu tür diffusive zaman ölçeği karakteristik uzunluk ölçek açısından tanımlanan bir geometri, t_d =²/κ. Péclet sıvı advection Difüzyon etkileri için göreli önemini ölçen bir nondimensional parametresi sayıdır. Bu parametre en kısa uzunluğu ölçek açısından Pe tanımlarız Ua/κ, nerede U karakteristik akış hızı =. (Reynolds sayısı Péclet sayısı bakımından Pe κ/ν, ν kinematik viskozite sıvının nerde = Re olarak tanımlanır.) Tipik Péclet sayı değerlerini mikrosıvısal uygulamaları¹² 10 ve 10⁵arasında değişir, moleküler diffusivities akış hızları ve uzunluğu 10^-5cm²/s. bu nedenle, için 10^-7arasında değişen faiz, ölçekler bu İlk gözlemler geometri uygulamalı davranış ve çapraz section temelli rejimler için büyük bir sınıf evrensel içine geçmiş de solutes (görece diffusive zaman ölçeği), orta uzun zaman ölçeği için davranışını anlamak için çok önemlidir geometrileri.

Mikrosıvısal uygulamaları ilgi göz önüne alındığında, büyük ölçüde deneysel kurulum olabilir seçiminde ilk görünüyor doğal olmayan. Burada rapor deneyler milimetre ölçeğinde, gerçek mikrosıvısal aygıtlar olduğu gibi microscale değil altındadır. Ancak, her iki sistemin aynı fiziksel davranışları karakterize ve sadece uçak modelleri ölçek Rüzgar tünellerde tasarım sırasında değerlendirilir gibi ilgili olayların bir nicel araştırma hala düzgün yönetim denklemler, ölçekleme tarafından elde edilebilir aşama. Özellikle, ilgili nondimensional parametreleri (Péclet numarası deneyimiz için gibi) eşleşen deneysel model uyum sağlar. Böyle daha büyük ölçeklerde çalışma, baskı temelli bir laminar akış korunarak geleneksel microscale kurulum birkaç avantaj sunar. Özellikle, üretmek için gereken araç gerçekleştirmek ve mevcut görselleştirmek deneyler çalıştırmak daha kolay ve daha az maliyetli. Ayrıca, mikro, sık tıkanma ve toleransları, üretim gelişmiş etkisi gibi çalışan diğer ortak sorunları daha büyük Kur'a hafifletilmiş. Başka bir olası bu deneysel kurulum Laminer akımları¹³' te ikamet zaman dağıtım (AR-GE) çalışmalar için kullanılır.

Çözünen dağıtım aşağı doğan asimetriler istatistiksel anları yolu ile çözümlenebilir; Özellikle, ortalanmış, normalleştirilmiş üçüncü an tanımlanır, çarpıklık, bir dağılımın asimetri ölçme en düşük sipariş ayrılmaz istatistik 's. Çarpıklık iz genel olarak dağıtım, i.eşeklini gösterir. Eğer onun ön yüklemeli (negatif çarpıklık) ya da geri yüklemeli (pozitif çarpıklık). Kanal boy oranları üzerinde odaklanarak, ön yüklemeli dağıtımları ile ince geometrileri ve kalın geometrileri geri yüklemeli dağıtımları¹⁰ile açık bir ilişki bulunmaktadır. Ayrıca, bu iki zıt davranışlar ayıran önemli bir en boy oranını eliptik borular ve dikdörtgen kanalları için hesaplanabilir. Böyle crossover boy oranları oldukça standart geometrileri için özellikle, λ * benzer borular ve λ * 0.49031 = 0.49038 kanalları, teori¹⁰evrenselliğini müstehcen için =.

Deneysel kurulum ve bu makalede açıklanan yöntemi bir laminar sıvı akışı boyunca çeşitli kesit cam kılcal basınç tahrik pasif çözünen yayılan incelemek için kullanılır. Sadelik ve tekrarlanabilirlik deneme analiz aşağı aktarıldıkları bir boru geometrik kesit ve enjekte çözünen dağıtım elde edilen şekil arasındaki bağlantıyı anlamak için sağlam bir yöntem tanımlar. Bu çalışmada ele yöntemi matematiksel ve sayısal sonuçları bir Fizik Laboratuvarı ortamında kolayca kriter için geliştirilmiştir.

Basit bir deneysel işlemin hangi sıvı bir kanalın kesitsel boy-çözünen bir dağılım şekli aşağı kurma oranı oynadığı kesin rolü vurgulamaktadır açıklanmıştır. Deneysel Kur sabit bir laminar akış üretmek, cam boru çeşitli kesit pürüzsüz için programlanabilir şırınga pompa gerektirir, ikinci bir şırınga pompa akışkanın çözünen enjekte etmek (e.g. floresein boya) çevreleyen Laminer akış içine ve UV-A ışıkları ve çözünen evrim kaydetmek için bir fotoğraf makinesi. Belgili tanımlık tertibat ve bu tür dosyaları tüm özel parçaları 3D-baskı için kullanılabilir CAD dosyalarını deneysel derlemesi için önceki parçalar temin edilmektedir.

Protokol

1. Deneysel kurulum oluşturmak için parçaları hazırlamak

Bağlı 3D CAD çizimleri (.stl formatında) 3D-baskı için bir enjektör sonrası, su deposu, altıgen bir bağlayıcı ve iki tabak bağlar boru için gonyeler (iki için her geometri) kullanılmak üzere kullanmaktadır.
Not: Alternatif olarak, kurulum belirli bölümlerini Lazerle kesilmiş olabilir. Bu raporda, kare kalın boru ile lazer kesim plakalar monte edilmiş, dikdörtgen ince iken boru ile 3D baskılı tabak takıldıktan.
Düz cam kılcal borular istenen geometrinin edinin.
Not: Bu raporda, iki boru geometri kullanılır: kare kesit-iç kesit 1 mm x 1 mm ve duvar kalınlığı 30 cm uzunluğundaki boru 0.2 mm; 30 cm uzunluğundaki boru dikdörtgen kesit-iç kesit 1 mm x 10 mm ve duvar kalınlığı 0,7 mm. Dikdörtgen boru ince boru adlandırılır, ancak kare boru bundan böyle kalın boru başvurulur.

2. Deneysel kurulum montaj

3D basılı parçaları dokunarak
1. Her iki tarafta enjektör yazı enjeksiyon iğne ve giriş boya yükleneceği bir 1/8"(0,32 cm) NPT ile dokunun dokunun. Arkadaki rezervuar drenaj tüpü yükleneceği bir 10-32 musluk ile dokunun.
2. Havzanın önü 6-32 mekândaki ile dört vida deliğini dokunun. Alt ve üst altıgen konektörü parça ile 6-32 dokunun dokunun.
Vurdu 3D baskılı parçalar hazırlamak
1. Enjektör mesaj
  1. Sızdırmazlık bandı PTFE ile uygun bir dikenli hortum konuları kapsar. Hazırlanan uydurma enjektör yazının arka delik canı cehenneme. 30 cm uzunluğundaki biteviye-in plastik boru kesme (İç Çap 3.30 mm). Hortum adaptörü tüp takın.
  2. Paslanmaz çelik losyonlu iğne konuları kapsar (dış çap 0,71 mm) ile sızdırmazlık bandı PTFE. Enjektör yazı üzerine açık (büyük) delik paslanmaz çelik losyonlu iğne canı cehenneme.
2. Rezervuar
  1. Küçük bir dikenli hortum ile sızdırmazlık bandı PTFE uygun konuları kapsar. Hazırlanan uydurma rezervuar (daha küçük delik) arka delik canı cehenneme.
  2. 30 cm uzunluğundaki biteviye-in plastik boru kesme (İç Çap 3.30 mm). Tüp hortum adaptörü üzerine yerleştirin. Küçük bir kap ile tüp diğer ucunu kapatın.
    Not: Bu havzanın için drenaj sistemi olacak.
  3. Bir lastik O-Ring (yağa dayanıklı Buna-N O-Ring, 1/16"(0,16 cm) kesirli genişliğe, Dash numarası 016) dairesel durgunluk havzanın boru yanına koyun.
3. Altıgen bağlayıcı
  1. Küçük bir dikenli hortum ile sızdırmazlık bandı PTFE uygun konuları kapsar. Hazırlanan uydurma altıgen bağlayıcı alt delik canı cehenneme.
  2. 30 cm uzunluğundaki biteviye-in plastik boru kesme (İç Çap 3.30 mm). Hortum adaptörü tüp takın.
  3. Bir hortum adaptörü PTFE sızdırmazlık bandı ile kapak. Konu karşı gidiş hortum adaptörü karşılamak emin olun.
  4. 4 cm uzunluğundaki biteviye-in plastik boru kesme (İç Çap 3.30 mm). Hortum adaptörü tüp takın.
Boru hazırlamak
1. RTV lastik mastik borunun her iki ucu uzak 2 mm ince bir tabaka dağıtın. Dolgu macunu borunun dış çevresindeki eşit olarak yayılmış ve dolgu macunu ile boru erişim engel değil emin olun.
2. 3D baskı plakaları üzerine boru bu dikkatle boru 3D baskılı adaptörleri üzerinde önceden kesilmiş deliklere ekleyerek bağlayın. Böylece her tarafı boyunca dolgu macunu ile plakalar bağlantı kurduğunda en az 2 mm boru itmek için emin olun.
3. Böylece Boru kesme kapalı dikkatlice dolgu macunu plaka kenarına üzerine yayıldı. En az 12 h tamamen böylece boru plakaları üzerine sızdırmazlık vulcanize macunu için bekleyin.
Fluoresein toz boya çözüm hazırlamak için 0.40 g ölçüsü. Toz 0.50 istenen boya konsantrasyonu (0,80 g/L konsantrasyon) elde etmek için L distile su oranında seyreltin.
Not: Suda floresein yayınım gerçekleştirerek cross-sectionally ortalama izleyici dağıtım için deneysel dairesel boru geometri¹⁴ ikinci an için analitik ifade en küçük kareler uygun tahmin edilmektedir aynı miktarı ölçümü. Moleküler Difüzyon katsayısı κ olduğu tahmin edilmektedir 5,7 x 10^-6 cm²/s, saf suda floresein yayınım daha önce yayımlanmış değerleri ile tutarlı =.
Derleme
1. Enjektör pompa bir kurulum
  1. 12 mL plastik enjektör Kauçuk Lavabo pompası ile distile su ile doldurun. Plastik losyonlu bahşiş şırınga üzerine yerleştirin. Şırınga şırınga pompa A. Bağlan üzerine altıgen bağlayıcı alt kısmında eklenen 30 cm uzunluğundaki tüp şırınga bağlayın.
  2. Kauçuk Lavabo pompası ile distile su ile 1 mL plastik şırıngaya doldur. Şırınga şırınga pompa A. Cut 30 cm uzunluğundaki biteviye-in plastik boru üzerine monte (İç Çap 3.30 mm). 1 mL plastik şırıngaya takın.
    Not: her iki şırınga distile su şırınga pompa A. monte edilir Pompa aktif olarak su iki şırınga atılır. Kullanılacak birinci 12 mL şırınga, yani 1 mL şırınga su sızıntıları önlemek için bir boşaltma tüp bağlı olması gerekir. Bu adım ince dikdörtgen kanal için gerekli değildir.
2. Enjektör Kur
  1. Fluoresein çözüm ile Kauçuk Lavabo pompası ile 3 mL plastik şırıngaya doldur. Plastik losyonlu bahşiş şırınga üzerine yerleştirin.
  2. Enjektör geri boya şırınga bağlı tüp takın.
  3. Enjektör sonrası boya Çözümle el ile boya şırınga enjektör sonrası yatay tutarak enjekte edilerek doldurun (i.e. yukarı ve şırınga yukarıda yönelik iğne ile). Şırıngayı enjektör boya tamamen dolu ve hava içeride tuzağa kadar zorlamaya devam et.
  4. Şırınga B. kelepçe enjektör sonrası şırınga pompa bağlı tüp ulaşılabilir bir şekilde laboratuar tezgah kenarına şırınga pompa üzerine monte.
  5. Dört uzun vida (paslanmaz Pan kafa Phillips makine vidaları 6-32 iş parçacığı, 2-1/4"(5,76 cm) uzunluk) üzerinde küçük contalar yerleştirin. İğne çevreleyen dört delik sabitleyen dört vidayı takın.
    Not: vida başkanı enjektör yazının arkasında olduğundan emin olun (tüp aynı tarafta bağlı boya şırınga).
3. Altıgen bağlayıcı
  1. Altıgen bağlayıcı her tarafında dairesel kesik iki O-halkaları (yağa dayanıklı Buna-N O-Ring, 1/16"(0,16 cm), kesirli genişliğe Dash numarası 016) yerleştirin.
  2. Altıgen bağlayıcı sabitleyen dört vidayı onun delik hizalayarak ve üzerlerine eklemeden enjektör mesaja ekleyin. Enjektör mesaj karşı karşıya daha büyük deliği yok emin olun. Denetleyin ve O-Ring iki bölümü arasında klempe zaman yer dışında hareket değil emin olun.
4. Boru
  1. Sonunda plakayı sabitleyen dört vidayı onun delik hizalayarak ve onlar üzerine eklemeden altıgen bağlayıcı kanala bağlı biri ekleme. Monte olarak boruyu girin gereken iğne için dikkat edin.
  2. Birlikte uzun cıvata sonuna kadar dört 6-32 paslanmaz çelik fındık ekleyerek enjektörü, altıgen bağlantısı ve boru-adaptör plaka sıkıştırmak için dört uzun vidaları güvenli. O-halkaları bölümleri arasında klempe zaman yersiz taşımayın emin olun.
  3. Borunun diğer ucunu dört kısa vida ve contalar (paslanmaz Pan kafa Phillips makine vidaları 6-32 iş parçacığı, 1/2"(1,27 cm) uzunluk) kullanarak için rezervuar eklemek. O-Ring iki bölümü arasında sıkıştırıldığında yersiz taşınmaz kontrol edin.
5. Depo tablo kelepçe. Havzanın boru eğmek değil enjektör yazı ile uyumlu olduğunu emin olun.
6. Hava emme sistemi: plastik losyonlu bahşiş tüp içine bağlı altıgen bağlayıcı tepesine ekle. 3 mL şırınga plastik ucunu takın.
  Not: Bu şırınga sistemdeki tuzağa herhangi bir hava kabarcıkları ayıklamak için kullanılır.
7. Işık ve kamera
  1. Yer iki 61 cm uzunluğundaki UV-A tüp deneysel kurulum her tarafında ışıklar.
    Not: Enjektör ve rezervuar her tarafında özel olarak tasarlanmış bir parça vardır. Deneme karanlıkta UV-A tüp ışıkları ile çalıştırılması gerekir.
  2. Bir fotoğraf makinesi bellek kartı aşağı bakacak şekilde deneysel Kur yukarıda yerleştirin.
    Not: En az 1 m boru yukarıda kamera yerleştirilmiş olmalıdır. Bu şekilde, tüm boru uzunluğu çerçeve içerir. Bir DSLR fotoğraf makinesi ayarlanabilir odak uzaklığı, 24-120 mm lens ile kullanıldı.
  3. Her 1 fotoğraf çekmek için bir uzaktan kumanda kullanarak kamera programı 5.6f diyafram, çekim hızı 5 ve ISO 200 s.

3. Deneysel çalıştırmak

Kurulum
1. Havzanın boru biraz üzerinde bir seviyeye distile su ile doldurun. Boru şırınga pompa iterek distile su ile doldurun. UV-A tüp ışıkları ve karartma perdeleri çekin.
2. Programlanabilir şırınga pompa herhangi bir kalıntı boya boru temizlemek için A çalıştırın.
3. Tek bir başvuru yansıması saf distile su borusunun al.
  Not: Bu referanstır verilerin işlemede kullanılan atış adımları daha sonra. Bu resim için deneysel çalışma içinde belgili tanımlık karanlık koşullarda mümkün olduğu kadar benzer alınması gerekir.
4. 12 mL şırınga (daha önce 1 mL şırınga bağlı) boşalma Tube şırınga pompa A. Connect monte 1 mL şırınga enjektör mesaja bağlanma tüp geçiş.
  Not: Bu adım ince dikdörtgen kanal için gerekli değildir.
İlk durum
1. Analog şırınga pompa B. çalıştırarak bir boya (3 mm kalınlığında ince dikdörtgen tüp için) kanal 1 mm kalınlığında topak enjekte
  Not: Bu adımda boya ilk koşulu oluşturulur. Boya enjekte kullanılan boru geometri üzerinde bağlıdır. Onun kesit alanı daha büyük olduğu için ince bir tüp boya daha büyük bir miktarda gerektirir. Deneysel çalıştırmadan önce boya kesit yaygın zorunda kalacak ve boya daha büyük bir miktarda enjekte sonra bile yayılmış fotoğraflarda yakalanması için parlak olmasını sağlar.
2. Program şırınga pompa A çok yavaş debisi 0,193 mL/h (akışını oranıdır 1.93 mL/h ince dikdörtgen kanal için) kalın kare boru, distile su enjekte etmek. Enjektör pompa boru iğne uzak aşağı taşınması için boya bolus izin vermek 5 min için çalıştırın.
  Not: 5 dk sonra yaklaşık 1 cm iğne uzakta boya olması gerekir. Çünkü ince boru hacmi 10 kat kalın boru böyle bir büyüklük sırasında ince boru tarafından akış hızı artış gözleniyor.
3. Boya şırınga geriye doğru el ile çek, boya emin iğne bulmuyor.
  Not: Bu olduğundan emin olun böylece daha fazla boya boru içine deneysel çalışma sırasında dağınık distile su iğne ucunda.
4. Beklemek için bir zaman t_w > t *_d borunun kesit yaygın boya bolus için.
  Not: Diffusive zaman t *_d b²= / κ yarım uzun kesitsel yan olmak karakteristik uzunluğu b dikkate alır. Bekleme süresi bilgi işlem bu şekilde genelleştirilebilir herhangi bir kesit b uygun bir seçim ile için. Temsilcisi sonuçtan dolayı bekleme süresi 15 dk kalın kare boru ve ince dikdörtgen kanal için 15 h yapıldı.
Akış
1. Program şırınga pompa A istenen Debi 1.93 mL/s için kalın kare boru ve 19.3 mL/h ince dikdörtgen kanal için için.
2. Enjektör pompa ve Uzaktan kumanda kameraya başlamak vasıl ayni zaman. 1 resimler arasında bir aralık ile 5 min için denemeyi çalıştırmak s.
3. Oda ışıkları açmak ve boru ve buna paralel olarak aynı yükseklikte yerleştirilen bir cetvel görüntüsünü almak.
  Not: Bu (piksel/mm) verilerin işlemede kullanılan uzunluk ölçek belirlemenize yardımcı olur.

4. veri işleme

Hafıza kartını fotoğraf makinesinden ayıklamak ve verileri nerede görüntü işleme yazılımı analiz için kullanılan bir bilgisayara indirmek için.
MATLAB analiz
1. İlk gelen ilk deneysel görüntü başvuru görüntü atış (dişlemek içinde adım 3.1.3) çıkarın.
2. Borunun üst ve alt kenarları boyunca Görüntüyü kırpmak. Boru çerçeve ile uyumlu değildir Eğer görüntüyü döndürmek emin olun.
3. Toplam yeşil kanal dikey olarak ortaya çıkan görüntü yoğunluğu okuma.
  Not: Bu uzunlukta boru boyunca bir fonksiyonu olarak toplam kesit boya yoğunluğu ile orantılı olduğunu.
4. Uzunluk birimleri piksellerden mm için kalibrasyon görüntüden fiziksel uzunluğu ölçek kullanarak dönüştürme (bkz. Adım 3.3.3).
5. Tüm kalan resimler için yineleyin. Bir zaman dizisi Borunun uzunluğu boyunca toplam boya yoğunluğu ölçme eğrilerinin sonuçlanır.

Sonuçlar

Deneysel kurulum montaj şekil 1' de gösterilen sonra. MATLAB üretilen görüntüler için üç boyutlu kez konsantrasyon eğrisi (Şekil 2) işlenmiş evrimi üzerinde deneysel veriler göstermektedir. İzleyici'nın yoğunluk ve konsantrasyonu arasında doğrusal bir ilişki olduğunu doğruladıktan. Zaman geçer ve boya bolus olarak dağıtım değişiklikleri şeklinde aşağı taşır. Şekil 2 böyle evrim ince dikdörtgen kanal geometri durumunda gösterir. Dar ve simetrik ilk boya dağıtım (Gauss gibi boyuna yönü ile ilgili olarak ve neredeyse yaptı Şekil 2 kesit düzgün), ama simetri hemen hemen hemen arka plan akışı başlatılırken bozuldu. Dağıtım simetri keskin bir ön sunma ve uzun kuyrukları (Şekil 2, orta ve sağ) sivrilen tatili.

Deneysel sonuçlar ilk dağıtım ve akış hızı (şekil 3) eşleşen gerçekleştirilen Monte Carlo simülasyonları tarafından onaylanır. Boya yayınım κ monte değeri bağımsız bir deneyde (Adım 2.4 Protokolü) belirlenir ve bu Karşılaştırmada kullanılan. Monte Carlo yöntemleri genellikle sınır koşulları (homojen Neumann bu durumda) sadece giriş olarak Bilardo yansıma kuralları gibi olabilir gibi karmaşık geometriler içeren advection-Difüzyon sorunları evrimi benzetimini yapmak için kullanılır. Örnek gerçekleşmeleri eşdeğer Stokastik diferansiyel denklem nondimensional form advection-Difüzyon denklemde temel yaklaşımdır:

figure-results-1

nerede T(x,y,z,t) olduğunu izleme dağıtım, τ t_dtarafından normalleştirilmiş nondimensional zamanı, x uzunlamasına mekansal koordinat, i ise kısa transvers koordinat ise z uzun transvers koordinat, kısa yanında tüm normalleştirilmiş bir. Sıvı akış u(y,z) negatif basınç gradyan tarafından tahrik Navier-Stokes denklemleri kaymayan sınır koşulları (duvara akımı), Laminer kararlı durum çözümdür. Sadece Difüzyon göz önüne alınarak istenen bir farkı ile boru uzunlamasına yönde bir Gauss ilk veri elde edilebilir (Pe = 0) ve parçacıklar deneysel ilk veri⁹^,^{10 genişliğine eşleştirmek istediğiniz kez gelişen}. Temsilcisi bu sonuçlar genel Laminer rejimi¹⁰ için (şekil 3) tutmak için gözlenen yükleme olayları bekliyoruz ancak protokol alanında belirtilen akış hızı değerleri kullanarak elde edilmiştir.

figure-results-2
Resim 1 : Deneysel Kur. (A) deneysel kurulum diyagramı. Bu rakam Aminianve arkdeğiştirildi. ¹⁰. gerçek kurulum (B) sunumu. Bu rakam daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için buraya tıklayınız.

figure-results-3
Resim 2 : Çeşitli zamanlarda işlenen verileri anlık. Üst satır: fotoğraf boya konsantrasyon normal boyutlu olmayan kez artan, uzun kesitsel yönüne gözlenen tüp kesiti boyunca yayılmış. Dikey eksen 5 kere netlik uğruna ölçekli. Alt: boya konsantrasyon yoğunluğunu uzun kesitsel yön özetleme hesaplanan. Tepe değeri normalleştirilmiş. Bu rakam daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için buraya tıklayınız.

figure-results-4
Şekil 3 : Konsantrasyon dağıtım Monte Carlo simülasyonları ve deneyler arasında karşılaştırılması. Cross-sectionally ortalama boya konsantrasyon boru uzunlamasına uzunluğu boyunca evrimi iki Instants zamanında gösterilir: τ = 0,15 ve τ = 0,30 =. Düz çizgiler deneysel veri temsil ederken kesik çizgiler simülasyon sonuçları vardır. Top: karşılaştırma kalın (kare) kanal; alt: ince (dikdörtgen) kanal buna karşılık. Her eğri altındaki alan biri için normalleştirilmiş ve x = 0 boya ilk fiş merkezine karşılık gelir. Bu rakam Aminianve arkdeğiştirildi. ¹⁰. Bu rakam daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için buraya tıklayınız.

Ek dosya 1 . En düşük CAD çizimlerinin dahil 3D altıgen konektörü (hex_connector_3D.STL)

Ek dosya 2 . En düşük CAD çizimlerinin dahil 3D enjektör yazı (injector_post_3D.STL)

Ek dosya 3 . En düşük CAD çizimlerinin dahil 3D rezervuar (reservoir_3D.STL)

Ek dosya 4 . En düşük CAD çizimlerinin dahil 3D kalın boru tabak (plate_thick_3D.STL)

Ek dosya 5 . En düşük CAD çizimlerinin dahil 3D ince boru tabak (plate_thin_3D.STL)

Tartışma

Boru içine boya enjekte sonra bolus sürekli bir akış kullanarak enjeksiyon iğne uzak taşınır. O zaman, yeterince uzun boya kanal kesit yaygın beklemek gereklidir. Bu şekilde, tekdüze bir Gauss benzeri dağılım elde edilir ve deney için ilk koşul olarak görev yapacak. Bu nedenle, bir arka plan Laminer akış programlanabilir şırınga pompa ile oluşturulur. Deneysel son 5 min için her saniye çekilen fotoğraflar ile çalıştırın.

En yaygın sorunların kurulumunda parçaları ve boru bağlantısından gel. 3D baskılı kısımların sızıntı önlemek için bağlandığında düzgün mühürlü gerekiyor. Cam borular çok narindir ve olmalı ele ve bakımı ile yüklü.

Boru birim 10 katına düşürüldü aslında ilgili ince dikdörtgen borudan kalın kare boru için geçiş zaman karşılaştığımız bir konu. Korumak için aynı kesit ortalama akış hızı ile bağlı 12 mL şırınga, son derece düşük olmak A gerektirecekti şırınga pompa pistonu hızı. Bu programlanan hızda dalgıç hız artık tek tip değildi ve sürekli bir akış deneysel çalışma garanti edilemez. Bu nedenle, biz adım 2.5.1 kalın kare boru ile çalışırken bir çok küçük 1 mL şırınga için açık.

Ayrıca, bir ilk koşulu borunun dikey boyut boyunca ortalama yoğunluğu yaklaşık tekdüze olduğunu doğrulamanız gerekir. Eğer değilse, bu tutarsızlık için hesap için tüm çerçeveleri arasında uygulanacak bir filtre maskesi gerekir.

Az yinelenebilir deneme boya enjeksiyon (ve sonuç olarak ilk dağıtım genişliğini) bir parçasıdır. Deneysel ilk koşulu olarak ilk fotoğraf analizi kullanılarak yeniden oluşturulması gibi daha önce gösterildiği gibi Monte Carlo simülasyonları ile eşleştirmek için bir endişe değil. Her zaman boya enjeksiyon ve bunun sonucunda el ile çekilmesi boya fişler tam olarak aynı genişlikte üretmeyebilir. Belirli bakım ilk boya bolus ayarlarken uygulanması gerekiyor. Araştırmacılar bu protokolün bir parçası deneyim kazanmak, ama gelecekteki iyileştirmeler kesinlikle yapılmış olabilir deneme daha tekrarlanabilir olur.

Belgili tanımlık tertibat mikrosıvısal cihazlar, uygun şekilde nondimensionalized olduğunda izleyicisinin, pasif, ise görünen yönetim denklemde Péclet numara Pe tek parametre ile karşılaştırırken Yani izleyici evrim akışından edilişi. Dinamik benzerlik için düşük Reynolds varsayım örtülü (Re << 1) da istikrarlı Laminer akımları u(y,z) sağlar. Bu iki parametre mikrosıvısal kurulumları ve deneyimiz ölçekler arasında tam benzerlik ayarlarsınız. Uygulamada, boru fiziksel uzunluğu yalnızca güvenli bir şekilde bizim Kur'a ulaşabilirsiniz nondimensional kez kısıtlar. Çok geç boyutlu olmayan zamanlar için boru gerekli uzunluğu sabit bir Péclet numarası bu büyük ölçekli kurulum için aşırı derecede uzun haline gelebilir.

Bu deneysel protokol bariz bir sınırlama Fotoğraflar yukarıdan aşağıya çekilmiştir gibi toplanan veriler 3B geometrisinin öngörülen 2D gösterimi olmasıdır boru. Geçerli işlemin yalnızca cross-sectionally ortalama boya dağıtım evrimi elde etmek için izin verir. Her yerde tüp yerine onun kesitsel ortalama ve teorik ve sayısal tahminler ile karşılaştırma tanımlanan bir dağıtım alma devam eden araştırma vardır.

Tüm deneysel Kur parçalar teknik çizimler elde edilebilir için download belgili tanımlık tertibat kolayca erişilebilir ve baktılar herhangi bir araştırmacı tarafından özelleştirilebilir kılan var. Geçerli sonucunu temel bina, aynı kurulum daha karmaşık ve keşfedilmemiş boru geometrileri yanı sıra farklı akış rejimleri incelemek için kullanılır.

Açıklamalar

Yazarlar ifşa gerek yok.

Teşekkürler

Biz, deniz araştırma Office (grant DURIP N00014-12-1-0749) ve Ulusal Bilim Vakfı (RTG DMS-0943851, CMG ARC-1025523, DMS-1009750 ve DMS-1517879 verir) fon kabul. Ayrıca, Sarah C. Burnett deneysel kurulum ve iletişim kuralı eski bir sürümünü geliştirmek yardım çalışmalarını anıyoruz.

Malzemeler

Bu makalede kullanılan malzemelerin listesi
Ad	Şirket	Katalog numarası	Yorumlar
Floresein Boya	Flinn Scientific	LOT: 118362 CAS NO: 518-47-8
PhD ULTRA Hpsi Şırınga Pompası	Harvard Aparatı	703111	programlanabilir dijital şırınga pompası
Kompakt İnfüzyon Pompası Model 975	Harvard Aparatı	55-1689
Form 2 SLA 3D Yazıcı	Formlabs	100-240
Cam borular	VitroCom	4410 ve 8100
PTFE sızdırmazlık bandı	Teflon	4934A12
PVC boru (1/8" ID)	McMaster	5231K144	5 Ayak Uzunluğu
Yeniden Kullanılabilir Paslanmaz Çelik Dağıtım İğnesi 22 Ölçer, .016" ID, .028" OD, 1/8" NPT Thrd, 2" Lg	McMaster	7590A45	1 Gerekli
RTV silikon kauçuk mastik	McMaster	74945A69
Plastik Şırınga Manuel, Luer Kilit Bağlantılı, .34 oz Kapasiteli, 10	McMaster	7510A653	1 gerekli
Plastik Şırınga Manuel, Luer Kayma Bağlantılı, .034 oz Kapak, 10'lu Paketler;	McMaster	7510A603	1 gerekli
Plastik Şırınga Manuel, Luer Kilit Bağlantılı, 0.1 oz Kapasiteli, 10 'lik Paketler;	McMaster	7510A651	2 gerekli
Plastik dağıtım ucu	McMaster	6699A1	3 gerekli
6 "C-Kelepçeler	McMaster	5133A18	2 gerekli
Tip 18-8 Paslanmaz Çelik Düz Yıkayıcı Numara 6 Vida Boyutu, 0.156 "ID, 0.312" OD, 100 "Paketler;	McMaster	92141A008	8 gerekli
18-8 SS Pan Başlı Phillips Makine Vidası 6-32 Diş, 2-1 / 4 "Uzunluk, 50 & nbsp;	McMaster	91772A167	4 gerekli
Yağa dayanıklı Buna-N çok amaçlı O-ring 1/16 fraksiyonel genişlik, çizgi numarası 016, 100 'lik paketler;	McMaster	9452K6	3 gerekli
Tip 18-8 Paslanmaz Çelik Altıgen Somun 6-32 Diş Boyutu, 5/16 "Genişlik, 7/64" Yükseklik, 100 &	McMaster	91841A007	4 gerekli
18-8 SS Pan Başlı Phillips Makine Vidası 6-32 Diş, 1/2 "Uzunluk, 100 &	McMaster	91772A148	4 gerekli
24" Ampullü Siyah Işık Fikstürü	Amerikan DJ	B0002F5544	2 gerekli
DSLR fotoğraf makinesi	Nikon	D300
24-120 mm objektif	Nikon	2193
Uzaktan programlanabilir tetik	Nikon	4917	uzaktan programlanabilir tetik
Hafıza Kartı	SanDisk	SDCFX-032G-E61
Metrik cetvel	McMaster	20345A35

Kaynaklar

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).

Yeniden basım ve izinler

Etiketler

Pasif zleyici Dif zyonu Floresan Boya Enjeksiyonu K lcal T p Geometrisi Ak kanlar Dinami i Deneyi Mikroak kan Uygulamalar r nga Pompas Kurulumu Konsantrasyon Da l m Analizi Boy En Oran Etkileri Monte Carlo Sim lasyonu

Laminer kesme akışı pasif izleyiciler Difüzyon