Laminer kesme akışı pasif izleyiciler Difüzyon
Summary
Laminar akışı basınç tahrik pasif izleyiciler Difüzyon incelenmesi için bir protokol sunulmuştur. Çeşitli Kılcal Boru geometrileri için uygun bir yöntemdir.
Abstract
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.
Introduction
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, td =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 10-5 cm2/s. bu nedenle, için 10-7 arasında 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.
Protocol
Representative Results
Discussion
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.
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
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.
Materials
| 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 |
References
- Dutta, D., Leighton, D. T. 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. 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. , (2003).
- Barton, N. On the method of moments for solute dispersion. J. Fluid Mech. 126, 205 (1983).
