无源示踪剂在层流剪切流中的扩散

1。准备零件以建立实验装置 利用附加的 3D CAD 绘图 (. stl 格式) 到 3 d 打印喷油器柱、一个储层、六角连接器和两个用于管道安装的板 (每个几何图形两个)。注: 或者, 安装的某些部分可以是激光切割。在本报告中, 方厚管已安装激光切割板, 而矩形薄壁管已安装 3 d 印制板。 获得所需几何的光滑玻璃毛细管。注: 在本报告中, 使用两个管道几何图形:30 厘米长管的方形断面-内部横断面1毫米 x 1 毫米和壁厚0.2 毫米;30厘米长管, 长方形横断面-内部横断面1毫米 x 10 毫米和壁厚0.7 毫米。方管今后称为厚管, 而矩形管称为细管。 2。实验装置装配 3维印刷零件的攻丝 使用1/8 英寸 (0.32 厘米) 不扩散条约水龙头, 在其中安装注射针和染料输入, 在两侧插入喷油器柱。用10-32 水龙头在后面的储物处轻敲, 安装排水管。 用6-32 个水龙头在水库前面敲四个螺丝孔。用6-32 分路器在顶部和底部点击六角连接件。 准备抽头 3 d 打印部件 喷油器柱 用聚四氟乙烯密封胶带覆盖有刺软管接头的螺纹。将准备好的接头拧到喷油器柱的后孔上。切割一条30厘米长的塑料管材 (内径3.30 毫米)。将管子插入软管接头上。 用聚四氟乙烯密封胶带覆盖不锈钢配药针 (外径0.71 毫米) 的螺纹。把不锈钢配药针钉在前面 (大) 孔上, 放在喷油器柱上。 水库 盖上聚四氟乙烯密封胶带的小刺软管接头的螺纹。将准备好的接头拧在储层 (小孔) 的后孔上。 切割一条30厘米长的塑料管材 (内径3.30 毫米)。把管子插入软管接头上。用小帽把管子的另一端关上。注: 这将是水库的排水系统。 将橡胶 O 形环 (耐油布纳 N O 形环、1/16 英寸 (0.16 厘米) 分宽、破折号数 016) 放在储层管侧的循环衰退中。 六角连接器 盖上聚四氟乙烯密封胶带的小刺软管接头的螺纹。将准备好的接头拧到六角形接头的底孔上。 切割一条30厘米长的塑料管材 (内径3.30 毫米)。将管子插入软管接头上。 用聚四氟乙烯密封胶带覆盖软管接头。请确保将软管适配器与螺纹接合。 切割一条4厘米长的塑料管材 (内径3.30 毫米)。将管子插入软管接头上。 准备管道 将一层薄薄的室温硫化橡胶密封胶从管子的每一端分散2毫米。将密封胶均匀地分散在管道的外侧, 确保不堵塞管道与密封胶的接触。 将管道装入3维印刷板上, 将其小心插入到3维印刷管道适配器的预切孔中。一定要把管子按在至少2毫米, 这样密封胶沿每边与板材接触。 小心地把密封胶涂到盘子的边缘, 这样管子就会被密封到切口里。等待至少12小时的密封胶, 以充分硫化, 从而密封管到板上。 测量0.40 克荧光素粉制备染料溶液。将粉末稀释成0.50 升的蒸馏水, 以获得所需的染料浓度 (0.80 克/升浓度)。注: 荧光素在水中的扩散率通过对圆管几何中的分段平均示踪剂分布的第二个矩的解析表达式进行最小二乘拟合, 对实验相同数量的测量。分子扩散系数估计为κ = 5.7 x 10-6厘米2/秒, 与先前公布的在纯净水中荧光素的扩散值一致。 装配 注射器泵安装 用带有蒸馏水的橡胶柱塞填充12毫升塑料注射器。在注射器上插入一个塑料配药尖端。将注射器安装在注射器泵上. 将注射器连接至六角连接器底部插入的30厘米长管。 用带有蒸馏水的橡胶柱塞填充1毫升塑料注射器。将注射器安装在注射器泵上. 切一条30厘米长的塑料油管 (内径3.30 毫米)。附加到1毫升塑料注射器。注: 两个注射器灌满蒸馏水都安装在注射器泵 A 上。当泵被激活时, 水会从两个注射器中排出。第一个使用的是12毫升注射器, 所以1毫升注射器需要连接到排水管, 以避免水溢出。这一步是不必要的薄壁矩形管。 喷油器设置 用带有荧光素溶液的橡胶柱塞填充3毫升塑料注射器。在注射器上插入一个塑料配药尖端。 把连接到注射器背面的管子附着在染料注射器上。 用染料溶液填充注射器柱, 并通过注射器手动注射染料, 同时保持注射器柱水平 (i. e. 以针向上和在注射器之上)。继续推进注射器, 直到注射器完全充满染料, 并没有空气被困在里面。 将注射器安装在注射器泵上 b. 将注射器柱夹在实验室工作台的边缘, 使其可通过连接到注射器泵的管子到达。 在四长螺丝上插入小垫圈 (不锈钢盘头飞利浦机螺丝6-32 螺纹, 2-1/4 英寸 (5.76 厘米) 长度)。在针周围的四个孔中插入四螺钉。注: 确保螺钉的头部位于注射器柱的背面 (与与染料注射器连接的管子的一侧)。 六角连接器 将两个 O 形环 (耐油布纳-N O 形环, 1/16 英寸 (0.16 厘米) 分式宽度, 破折号数 016) 放在六角连接器两侧的圆形切口上。 通过将其孔对准四螺钉并将其插入到喷嘴柱上, 将六角连接器连接到喷油器开机自检。一定要有一侧与更大的孔面对喷油器岗位。检查并确保 O 形环在夹在两个零件之间时不会移出位置。 管 通过将其孔与四螺钉对齐, 并将其插入到六角形接头上, 将连接到管道上的一个端板附加到六边形连接器上。密切注意需要进入管道, 因为它正在安装的针。 通过将四6-32 不锈钢螺母连接到长螺栓的末端, 确保四长螺钉将注射器、六角连接器和管道适配器板一起压缩。确保 O 形环在零件之间夹紧时不移出位置。 使用四短螺钉和垫圈 (不锈钢盘头飞利浦机螺丝6-32 螺纹, 1/2 英寸 (1.27 厘米) 长度) 将管道的两端连接到储层。检查在两个部件之间压缩时 O 形环是否不移动。 把水库夹在桌子上。确保储层与喷油器柱对齐, 不弯曲管道。 空气萃取系统: 将塑料配药尖端插入连接到六角连接器顶部的管中。将3毫升注射器连接到塑料尖端。注: 此注射器将用于提取任何空气气泡被困在系统中。 灯和照相机 在实验装置的每一侧放置两个61厘米长的紫外线-一管灯。注: 喷油器和储层两侧都有专门设计的轨道。实验应该在黑暗中运行与紫外线-一个管灯打开。 将带内存卡的摄像头置于实验装置的上方。注: 摄像机应位于管道上方至少1米处。这样, 框架将包括整个管道长度。单反相机使用的透镜可调焦距, 24-120 毫米。 程序相机使用远程触发器拍摄每 1 s 与光圈 5.6f, 快门速度 5, ISO 200。 3。实验运行 设置 用蒸馏水将储层填入一个稍高于管子的水平。在注射器泵上加水, 用蒸馏水填充管子。打开紫外线-一个管灯和拉停电窗帘。 运行可编程注射器泵 A 冲洗任何残留染料的管道。 取一个单一的参考图像的管道填充纯净蒸馏水。注意: 这是稍后将在数据处理步骤中使用的引用快照。这张图片需要在黑暗中采取在条件尽可能相似对实验性奔跑。 将管连接至喷油器柱的管子切换至安装在注射器泵上的1毫升注射器 a. 将12毫升注射器连接到引流管 (以前连接到1毫升注射器)。注意: 这一步是不必要的薄壁矩形管。 初始条件 通过运行模拟注射器泵 B, 在管道中注入1毫米厚的染料 (3 毫米厚的矩形管)。注意: 此步骤创建染料初始条件。注射染料的用量取决于所用管子的几何形状。由于其横截面积较大, 薄管需要大量的染料。在实验运行之前, 染料将必须扩散到横断面, 并注入更多的染料, 确保它将足够明亮, 即使在它扩散后, 在照片中捕捉。 程序注射器泵 A 注入蒸馏水在非常缓慢的流速为0.193 毫升/小时的厚方管 (流量是1.93 毫升/小时的薄矩形管)。将注射器泵运行5分钟, 允许将染料的药丸从针头上输送到管子之外。注: 5 分钟后, 染料离针大约1厘米。由于细管的体积是厚管的10倍, 因此薄壁管的流量由一级增加。 手动将染料注射器向后拉, 确保染料无法到达针头。注: 这将确保在针的末端有蒸馏水, 以便在实验运行过程中不会有更多的染料分散到管道中。 等待时间 tw > t *d , 使染料丸在管道的横截面上扩散。注意: 扩散时间 t *d = b2/κ认为特征长度 b 为长截面边的一半。这种计算等待时间的方法是推广到任何剖面, 并选择 b。对于我们的代表性结果, 对于厚方管和 15 h 的薄壁矩形管, 等待时间为15分钟。 流 程序注射器泵 A 到所需的流速为1.93 毫升/小时的厚方管和19.3 毫升/小时的薄壁矩形管。 启动注射器泵和摄像头上的遥控扳机。运行实验5分钟, 间隔在1秒的图片之间。 将房间灯打开, 并将标尺的图像置于与管道相同的高度, 并与之平行。注意: 这将有助于确定数据处理中使用的长度刻度 (像素/毫米)。 4. 数据处理 从相机中提取内存卡并将数据下载到计算机上, 图像处理软件将用于分析它。 MATLAB 分析 首先从第一个实验图像中减去参照图像拍摄 (在步骤3.1.3 中折断)。 沿管道的上下边缘裁剪图像。如果管道未与框架对齐, 请确保旋转图像。 对生成的图像中垂直的绿色通道的强度读数进行求和。注: 这与总断面染料强度成正比, 是沿管道长度的函数。 使用校准图像的物理长度刻度 (请参见步骤 3.3.3) 将长度单位从像素转换为 mm。 对所有剩余图像重复。这将导致曲线的时间序列, 测量沿管道长度的总染料浓度。