A difusão dos marcadores passivos em fluxo Laminar da tesoura

Resumo

É apresentado um protocolo para o estudo de difusão de marcadores passivos em fluxo laminar controlado por pressão. O procedimento é aplicável a várias geometrias de tubo capilar.

Resumo

É descrito um método simples para experimentalmente observar e medir a dispersão de um traçador passivo em um fluxo laminar do fluido. O método consiste em injetar tintura fluorescente diretamente em um tubo preenchido com água destilada primeiro e permitindo-lhe difusa em toda a seção transversal do tubo para obter uma condição inicial uniformemente distribuída. Após este período, o fluxo laminar é ativado com uma bomba de seringa programável para observar a competição de adveção e difusão do traçador através da tubulação. Assimetrias na distribuição do traçador são estudadas e correlações entre a secção transversal de tubo e a forma da distribuição é mostrado: finos canais (proporção << 1) produzir marcadores chegando com frentes afiadas e afinando (caudas antecipados de distribuições), enquanto os canais grossas (proporção ~ 1) apresentam o comportamento oposto (concentrada distribuições). O procedimento experimental é aplicado a tubos capilares de diversas geometrias e é particularmente relevante para aplicações microfluidic por similaridade dinâmica.

Introdução

Nos últimos anos, esforços substanciais tem sido focados no desenvolvimento de microfluidic e dispositivos lab-on-chip que podem reduzir os custos e aumentar a produtividade de preparação química e diagnóstico para uma variedade de aplicações. Uma das características principais dos dispositivos microfluídicos é o transporte controlado por pressão de fluidos e dissolvido solutos através de microcanais. Neste contexto, tornou-se cada vez mais importante compreender melhor a entrega controlada de solutos na microescala. Em particular, aplicações, tais como a separação cromatográfica^1,2 e microfluidic fluxo injeção análise^3,4 exigem maior controle e compreensão do soluto entrega. Investigadores em microfluídica estudou e documentou a influência de forma transversal do canal em soluto espalhando^5,6,7,8e o papel da relação de aspecto do canal ^{9 , 10}.

Recentemente, estudos analíticos e numéricos de propagação de soluto ao longo de canais tem levar à identificação de uma correlação entre a geometria transversal da tubulação e a forma da distribuição^9,10. Em escalas de tempo iniciais, a distribuição depende fortemente da geometria: tubulações retangulares quebrar a simetria quase imediatamente, enquanto tubos elípticos retêm sua simetria inicial muito mais⁹. Por outro lado, progredindo em prazos mais longos, as assimetrias na distribuição do soluto já não diferenciarem elipses de retângulos e são definidas exclusivamente por λ a relação de aspecto transversal (relação do curta ao lado comprido). Considerando "tubos" de seções transversais elípticas e "condutas" de seções transversais retangulares, as previsões de simulações numéricas e análise assintótica foram aferidas com experimentos de laboratório. Finos canais (proporção << 1) produzir solutos chegando com frentes afiadas e afilando-se caudas, enquanto canais grossas (proporção ~ 1) apresentar o comportamento oposto¹⁰. Este efeito robusto é relativamente insensível às condições iniciais e pode ser usado para ajudar a selecionar o perfil de distribuição de soluto necessário para qualquer aplicação.

O comportamento descrito acima de classificação fina contra grossos domínios acontece antes que seja atingido o regime clássico de "Dispersão de Taylor". Dispersão de Taylor refere-se a difusão reforçada de solutos passivos em fluxo laminar (estável no baixo número de Reynolds, Re) com uma difusividade efetiva impulsionou, inversamente proporcional à difusividade molecular κ^{11 do soluto}. Este acessório é observado somente após difusiva, longas escalas de tempo, quando o soluto tem difundido através do canal. Tal escala de tempo difusiva é definida em termos de escala de comprimento característica uma de geometria, como t_d = um /κ². O número de Péclet é um parâmetro plota que mede a importância relativa do fluido adveção para efeitos de difusão. Podemos definir este parâmetro em termos de escala de comprimento mais curto como Pe = Ua/κ, onde U é a velocidade do fluxo característico. (O número de Reynolds pode ser definido em termos de número de Péclet como Re = Pe κ/ν, onde ν é a viscosidade cinemática do fluido). Valores de número de Péclet típicos para microfluidic aplicações¹² variam entre 10 e 10⁵, com difusividades moleculares variando de 10^-7 a 10^-5 cm²/s., portanto, dadas as velocidades de fluxo e comprimento escalas de interesse, é fundamental para compreender o comportamento de solutos para médio e longo prazos (em relação ao calendário difusiva), ultrapassou as observações iniciais de comportamento orientado em geometria e no universal para uma grande classe de regimes de cross-section-driven de geometrias.

Dado o interesse em aplicações microfluídicos, a escolha da instalação experimental de maio em grande escala primeiro parecer natural. Os experimentos aqui indicados estão em escala de milímetros, não na microescala como dispositivos microfluídicos verdadeiro. No entanto, os mesmos comportamentos físicos caracterizam ambos os sistemas e um estudo quantitativo dos fenômenos relevantes ainda pode ser conseguido dimensionando corretamente as equações que regem, assim como maquetes de aviões são avaliados em túneis de vento durante o projeto fase. Em particular, combinar parâmetros plota relevantes (por exemplo, o número de Péclet para nosso experimento) garante a capacidade de adaptação do modelo experimental. Trabalhando em tais escalas maiores, mantendo um fluxo laminar e controlado por pressão, oferece diversas vantagens sobre uma instalação tradicional microescala. Em particular, o equipamento necessário para fabricar, executar e visualizar o presente experiências é mais fácil de operar e menos onerosa. Além disso, outros desafios comuns de trabalhar com microcanais, tais como entupimentos frequentes e a influência reforçada de tolerâncias, de fabricação são atenuados com a configuração maior. Outro uso possível para esta configuração experimental é para estudos de distribuição do tempo de residência (IDT) em fluxos laminar¹³.

As assimetrias decorrentes da distribuição de soluto a jusante podem ser analisadas através de seus momentos estatísticos; em particular, a distorção, que é definida como o terceiro momento centrado, normalizado, é a estatística integral de ordem mais baixa medir a assimetria da distribuição. O sinal da distorção geralmente indica a forma de distribuição, ou seja. Se é concentrada na fase inicial (distorção negativa) ou concentrado (distorção positiva). Enfocando as proporções dos canais, existe uma clara correlação de geometrias finas com distribuições de delimitação e geometrias grossas com distribuições concentrada¹⁰. Além disso, uma relação de aspecto crítica separando esses dois comportamentos opostos pode ser calculada para ambos os tubos elípticos e dutos retangulares. Tais proporções de cruzamento são notavelmente semelhantes para geometrias padrão, em particular, λ * = 0.49031 para canos e λ * = 0.49038 para dutos, sugestivos da universalidade da teoria¹⁰.

A instalação experimental e o método descrito neste trabalho são utilizados para estudar a difusão de um soluto passivo controlado por pressão em fluxos de fluido laminares ao longo de capilares de vidro de várias seções transversais. A simplicidade e a reprodutibilidade do experimento define um método robusto de análise para a compreensão da conexão entre a secção transversal geométrica de um pipe e a forma resultante da distribuição do soluto injetada como ele é transportado a jusante. O método abordado neste trabalho foi desenvolvido para prontamente benchmark de resultados matemáticos e numéricos em uma configuração de laboratório de física.

Um simples procedimento experimental é descrito que destaca o papel definitivo transversal proporção do canal um fluídico em definir a forma de uma distribuição de soluto a jusante. A instalação experimental requer uma bomba de seringa programável para produzir um fluxo laminar e constante, liso de tubos de vidro de várias secções transversais, bomba de uma segunda seringa para injetar o soluto difunde (ex. corante de fluoresceína) no fluxo laminar circundante, luzes de UV-A e uma câmera para gravar a evolução de soluto. Arquivos CAD são fornecidos para todas as peças personalizadas de tais arquivos e a configuração podem ser usada para impressão 3D que experimental de peças antes da montagem.

Protocolo

1. Preparar as peças para construir a instalação experimental

1. Utilizam os desenhos CAD 3D anexados (formato. STL) para impressão 3D, um post do injector, um reservatório, um conector hexagonal e duas placas para ser usado como montagens para os tubos (dois para cada geometria).
   Nota: Como alternativa, determinadas partes da instalação podem ser cortado a laser. Neste relatório, a Praça tubo grosso tem sido montado com placas de corte a laser, enquanto o Retangular fino tubo tem sido montado com placas 3D-impresso.
2. Obter tubos capilares de vidro liso da geometria desejada.
   Nota: Neste relatório, duas geometrias de tubulação são usadas: 30 cm de comprimento tubo de secção quadrada-secção transversal interna 1 x 1 mm e espessura de parede 0,2 mm; 30 cm de comprimento tubo de secção rectangular-secção transversal interna 1 x 10 mm e espessura de parede 0,7 mm. A tubulação quadrada é daqui em diante referida como o tubo grosso, Considerando que o tubo retangular é referido como o fino tubo.

2. Montagem da instalação experimental

1. Tocando as partes 3D-impresso
   1. Toque o post do injector em ambos os lados com um toque NPT 1/8"(0,32 cm) onde a agulha de injeção e tintura de entrada serão instalados. Bata o reservatório na parte de trás com uma torneira de 10-32, onde será instalado o tubo de drenagem.
   2. Bata os quatro furos com uma torneira 6-32 na frente do reservatório. Toque a peça de ligação hexagonal na parte superior e inferior com uma torneira 6-32.
2. Preparar as partes 3D-impresso viradas
   1. Post do injector
      1. Cobrir os threads de um encaixe com PTFE, fita de vedação de mangueira arame farpado. Aparafuse o encaixe preparado o orifício traseiro do post do injector. Corte um pedaço de cm de comprimento 30 de tubos plásticos (diâmetro interno 3,30 mm). Introduza o tubo do adaptador de mangueira.
      2. Cobrir os segmentos da agulha aplicadora aço inoxidável (diâmetro externo 0,71 mm) com fita de vedação de PTFE. Dane-se a agulha aplicadora de aço inoxidável no furo dianteiro (grande) na trave do injector.
   2. Reservatório
      1. Cobrir os fios de uma pequena mangueira farpado montagem com fita de vedação de PTFE. Aparafuse o encaixe preparado o orifício traseiro do reservatório (orifício menor).
      2. Corte um pedaço de cm de comprimento 30 de tubos plásticos (diâmetro interno 3,30 mm). Inserir o tubo sobre o adaptador de mangueira. Feche a outra extremidade do tubo com uma pequena tampa.
         Nota: Este será o sistema de drenagem para o reservatório.
      3. Coloque uma borracha o-Ring (óleo-resistente Buna-N o-Ring, 1/16"(0,16 cm) largura fracionária, Dash número 016) na recessão circular do lado da tubulação do reservatório.
   3. Conector sextavado
      1. Cobrir os fios de uma pequena mangueira farpado montagem com fita de vedação de PTFE. Aparafuse o encaixe preparado o furo inferior do conector hexagonal.
      2. Corte um pedaço de cm de comprimento 30 de tubos plásticos (diâmetro interno 3,30 mm). Introduza o tubo do adaptador de mangueira.
      3. Cobrir um adaptador de mangueira com fita de vedação de PTFE. Certifique-se de cobrir o adaptador de mangueira, indo contra os fios.
      4. Corte um pedaço de cm de comprimento 4 de tubos plásticos (diâmetro interno 3,30 mm). Introduza o tubo do adaptador de mangueira.
3. Preparar o tubo
   1. Distribua uma camada fina de vedante de borracha RTV 2 mm de cada extremidade do tubo. Espalhe o vedador uniformemente ao redor do exterior do tubo e certifique-se de não obstruir o acesso do tubo com o selante.
   2. Monte o tubo nas chapas de impressão 3D, inserindo-o cuidadosamente nos orifícios pré-cortados os adaptadores de tubulação 3D-impresso. Certifique-se de empurrar o tubo pelo menos 2 mm, para que o vedador ao longo de cada lado em contacto com as placas.
   3. Cuidadosamente espalhe o vedador para a borda da placa para que o tubo fica selado para o recorte. Espere pelo menos 12 h para o selante vulcanizar totalmente assim selando a tubulação nas chapas de.
4. Medida 0,40 g de pó de fluoresceína para preparar a solução de corante. Dilua o pó em 0,50 L de água destilada para obter a concentração desejada de tintura (concentração de 0,80 g/L).
   Nota: A difusividade de fluoresceína na água é estimada através da realização de que um mínimos quadrados cabem da expressão analítica para o segundo momento da distribuição do traçador transversalmente em média no tubo circular geometria¹⁴ para o experimental medição da mesma quantidade. O coeficiente de difusão molecular é estimado em κ = 5,7 x 10^-6 cm²/s, consistente com os valores publicados anteriormente de difusividade de fluoresceína em água pura.
5. Montagem
   1. Uma instalação de bomba de seringa
      1. Encha uma seringa de plástico de 12 mL com um êmbolo de borracha com água destilada. Inserir uma ponta aplicadora plástica para a seringa. Monte a seringa para bomba seringa r. Connect a seringa ao tubo de 30 cm de comprimento, inserido na parte inferior do conector hexagonal.
      2. Encha uma seringa de 1 mL plástico com um êmbolo de borracha com água destilada. Montar a seringa para bomba seringa r. corte um pedaço de cm de comprimento 30 de tubo plástico (diâmetro interno 3,30 mm). Anexá-lo para a seringa de plástico de 1 mL.
         Nota: As duas seringas cheias com água destilada são montadas em bomba de seringa A. Como a bomba é activada, água será ejetada de ambas as seringas. O primeiro a ser usado é a seringa de 12 mL, para a seringa de 1 mL precisa ser conectado a um tubo de drenagem para evitar derramamentos de água. Este passo não é necessário para o fino tubo retangular.
   2. Instalação do injector
      1. Encha uma seringa de plástico de 3 mL com um êmbolo de borracha com a solução de fluoresceína. Inserir uma ponta aplicadora plástica para a seringa.
      2. Fixe o tubo conectado à parte traseira do injector para a seringa de tintura.
      3. Preencher o cargo de injector com a solução de corante por manualmente injetando contraste através da seringa, mantendo o post do injector horizontalmente (i. e. com a agulha orientada para cima e acima da seringa). Continua a abusar na seringa até que o injetor está completamente cheio de tintura e sem ar está preso lá dentro.
      4. Monte a seringa sobre a bomba de seringa B. Clamp o injector postar à borda da mesa de laboratório de uma forma que é acessível pelo tubo conectado à bomba de seringa.
      5. Inserir pequenas arruelas em quatro parafusos longos (fio de aço inoxidável Pan cabeça máquina parafusos Phillips 6-32, 2-1/4"(5,76 cm) de comprimento). Insira os quatro parafusos nos quatro buracos ao redor da agulha.
         Nota: Certifique-se que a cabeça do parafuso é na parte de trás do post do injector (do mesmo lado como o tubo conectado à seringa de tintura).
   3. Conector sextavado
      1. Coloque dois O-Rings (óleo-resistente Buna-N o-Ring, 1/16"(0,16 cm) largura fracionária, Dash número 016) nos recortes circulares em cada lado do conector do hexagonal.
      2. Encaixe o conector do hexagonal para o posto de injector alinhando os orifícios para os quatro parafusos e inseri-lo nelas. Certifique-se de ter o lado com o furo maior, enfrentando o post do injector. Verifique e certifique-se de que o-ring não se move fora do lugar quando pinçada entre as duas partes.
   4. Tubulação de
      1. Anexe uma das placas-final conectadas à tubulação ao conector sextavado alinhando os orifícios para os quatro parafusos e inseri-lo em direção a eles. Preste muita atenção para a agulha que precisa inserir o tubo como ela está sendo montada.
      2. Fixe os quatro parafusos longos para comprimir juntos o injector, o hexagonal conector e a placa de adaptador de tubo, anexando quatro porcas de aço inoxidável de 6-32 até o fim dos parafusos longos. Certifique-se de que os anéis não se move fora do lugar quando pinçada entre as partes.
      3. Conecte a extremidade oposta do tubo ao reservatório usando quatro parafusos curtos e arruelas (fio de aço inoxidável Pan cabeça máquina parafusos Phillips 6-32, 1/2"(1,27 cm) comprimento). Verifica que o-ring não se move fora do lugar quando comprimido entre as duas partes.
   5. Fixe o reservatório para a mesa. Certifique-se que o reservatório está alinhado com o post do injector para não dobrar o tubo.
   6. Sistema de extração de ar: inserir uma ponta aplicadora plástica no tubo conectada à parte superior do conector hexagonal. Anexe uma seringa de 3 mL para a ponta de plástico.
      Nota: Esta seringa será usada para extrair quaisquer bolhas de ar aprisionadas no sistema.
   7. Luzes e câmera
      1. Coloque dois 61 cm de comprimento o tubo de raios UV-A luzes em cada lado da instalação experimental.
         Nota: Há uma faixa projetada especificamente em cada lado do injector e do reservatório. O experimento deve ser executado no escuro com as luzes do tubo de UV-A ligada.
      2. Coloque uma câmera com cartão de memória acima da instalação experimental voltada para baixo.
         Nota: A câmera deve ser posicionada a pelo menos 1m acima do tubo. Desta forma, o quadro irá incluir o comprimento do tubo inteiro. Uma câmera DSLR foi usada com uma lente de distância focal ajustável, 24-120mm.
      3. Programar a câmera usando um disparador remoto para tirar fotos a cada 1 s com abertura 5.6f, velocidade do obturador 5 e ISO 200.

3. Experimental de executar

1. Instalação
   1. Encha o reservatório com água destilada para um nível um pouco acima do tubo. Encha o cachimbo com água destilada, empurrando a bomba de seringa. Acende a luz do tubo de UV-A e puxe as cortinas blackout.
   2. Funcionar a bomba de seringa programável A para liberar o tubo de qualquer corante residual.
   3. Pegue uma imagem de referência do tubo preenchido com água destilada pura.
      Nota: Esta é a referência de tiro que será usado no processamento dados passos mais tarde. Esta foto deve ser tomado na obscuridade em condições mais semelhantes possível para a executar experimental.
   4. Trocar o tubo que liga o post do injector na seringa de 1 mL, montado na bomba de seringa r. Connect a seringa de 12 mL para o tubo de drenagem (anteriormente ligado a seringa de 1 mL).
      Nota: Este passo não é necessário para o fino tubo retangular.
2. Condição inicial
   1. Injetar um montão de mm-espessura 1 de corante (3 mm de espessura para o tubo retangular fino) na tubulação, executando a bomba de seringa analógico B.
      Nota: Este passo cria a condição inicial do corante. A quantidade de corante injetado depende da geometria do tubo utilizado. O tubo fino requer uma quantidade maior de corante porque sua área de seção transversal é maior. Antes de executa o experimental, o corante terá que difundir em toda a seção transversal e injetar uma quantidade maior de corante garante que vai ser brilhante o suficiente para ser capturado em fotografias, mesmo depois que foi difundida.
   2. Bomba de seringa do programa A injetar água destilada para a taxa de fluxo muito lento de 0,193 mL/h para a tubulação quadrada grossa (a taxa de fluxo é 1,93 mL/h para o fino tubo retangular). Funcionar a bomba de seringa por 5 min permitir que o bólus de corante a ser transportados para baixo a tubulação longe a agulha.
      Nota: Após 5 min, o corante deve ser aproximadamente 1 cm de distância da agulha. O aumento da taxa de fluxo por uma ordem de magnitude para o tubo fino é porque o volume do tubo fino é 10 vezes maior que do tubo grosso.
   3. Puxe a seringa de tintura para trás manualmente, certificando-se que o corante não alcança a agulha.
      Nota: Isto irá garantir que haja água destilada água na extremidade da agulha para que não mais tintura será dispersa na tubulação durante a execução experimental.
   4. Esperar por um tempo t_w > t *_d para o bólus de corante difunda em toda a seção transversal do tubo.
      Nota: O tempo difusiva t *_d = b2/κ considera o comprimento característico b metade o lado longo transversal. Esta forma de computação o tempo de espera é generalizável a qualquer secção transversal com uma escolha apropriada de b. Para nossos resultados representativos, o tempo de espera foi 15 min para a tubulação quadrada grossa e 15h para o fino tubo retangular.
3. Fluxo
   1. Bomba de seringa de programa A para a taxa de fluxo desejada de 1,93 mL/h para a tubulação quadrada grossa e 19,3 mL/h para o fino tubo retangular.
   2. Começa a bomba de seringa e o controle remoto da câmera ao mesmo tempo. Executar o experimento por 5 min, com um intervalo entre fotos de 1 s.
   3. Ligar as luzes da sala e pegue uma imagem de uma régua colocada à mesma altura como a tubulação e a paralela a ela.
      Nota: Isto ajudará a determinar a escala de comprimento (pixels/mm) usada no processamento de dados.

4. processamento de dados

1. Extrato do cartão de memória da câmera e baixar os dados para um computador onde será usada software de processamento de imagem para analisá-lo.
2. Análise MATLAB
   1. Primeiro subtrai o tiro de imagem de referência (bati no passo 3.1.3) da primeira imagem experimental.
   2. Recorte a imagem ao longo das bordas superiores e inferiores do tubo. Certifique-se de girar a imagem, se o tubo não está alinhado com a moldura.
   3. A leitura de intensidade do canal verde verticalmente na imagem resultante de soma.
      Nota: Este é proporcional à intensidade do corante transversal total em função do comprimento ao longo do tubo.
   4. Converter as unidades de comprimento de pixels mm, usando a escala de comprimento físico da imagem de calibração (ver passo 3.3.3).
   5. Repita para todas as restantes imagens. Isso resulta em uma sequência de tempo das curvas de medição da concentração de corante total ao longo do comprimento do tubo.

Resultados

A instalação experimental após montagem é mostrada na Figura 1. Imagens produzidas em MATLAB mostram os dados experimentais acima a evolução processada da curva de concentração (Figura 2), por três vezes não-dimensional. Já verificamos que existe uma relação linear entre a intensidade e a concentração do traçador. A forma das mudanças de distribuição como o tempo passa e o bólus de tintura move a jusante. A Figura 2 mostra essa evolução no caso a geometria do duto retangular fina. A distribuição inicial de tintura é estreito e simétrica (Gaussian, como no que diz respeito a direção longitudinal e quase uniforme na seção transversal, Figura 2 deixada), mas a simetria é quebrada quase imediatamente, pois o fluxo começa a fundo. A distribuição quebra de simetria apresentando uma fachada afiada e longa afinando caudas (Figura 2, meio e direita).

Os resultados experimentais são confirmados por simulações de Monte Carlo realizadas combinando a taxa inicial de distribuição e fluxo (Figura 3). O valor cabido para a tintura difusividade κ foi determinado em um experimento independente (passo 2.4 no protocolo) e usado nesta comparação. Métodos de Monte Carlo são frequentemente utilizados para simular a evolução de problemas de adveção-difusão envolvendo geometrias complexas, como as condições de contorno (Neumann homogênea neste caso) pode ser simplesmente de entrada como de bilhar como reflexão regras. A abordagem é realizações de amostra da equivalente equação diferencial estocástica subjacentes a equação de adveção-difusão na forma plota:

onde T(x,y,z,t) é a distribuição do traçador, τ é o tempo plota normalizado por t_d, x é a coordenada espacial longitudinal, y é a coordenada transversal curta e z é a coordenada tempo transversal, tudo normalizada pelo lado curto um. O fluxo de fluido u(y,z) é a solução de estado estacionário laminar para as equações de Navier-Stokes com condições de contorno anti-derrapante (sem fluxo na parede), impulsionado por um gradiente de pressão negativa. Um Gaussian dados iniciais na direcção longitudinal de tubo com uma variação desejada podem ser obtidos por considerar apenas a difusão (Pe = 0) e evoluindo as partículas para o tempo desejado corresponder à largura dos dados experimentais inicial^9,10 . Estes resultados representativos foram obtidos usando os valores de taxa de fluxo especificados no protocolo, no entanto, esperamos que o carregamento fenômenos observados para manter-se em geral para o regime laminar¹⁰ (Figura 3).

Figura 1 : Instalação experimental. (A) diagrama da instalação experimental. Esta figura foi modificada de Aminianet al. ¹⁰. apresentação (B) da instalação do real. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figura 2 : Instantâneos de dados processados em vários momentos. Linha superior: foto da concentração de corante difundido ao longo da seção transversal do tubo normalmente observado para a direção transversal longa treinopara vezes non-dimensional. O eixo vertical escalou 5 vezes por motivos de clareza. Fundo: intensidade da concentração de corante calculado somando-se ao longo da direção transversal há muito tempo. O valor de pico é normalizado. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figura 3 : Comparação entre a distribuição de concentração entre experiências e simulações de Monte Carlo. A evolução da concentração de corante transversalmente em média ao longo do comprimento longitudinal do tubo é apresentada em dois instantes no tempo: τ = 0.15 e τ = 0,30. As linhas tracejadas são os resultados de simulação, enquanto as linhas sólidas representam os dados experimentais. Top: comparação no canal (quadrado) de espessura; fundo: comparação no canal fina (Retangular). A área sob cada curva é normalizada para ser um e x = 0 corresponde ao centro do plugue inicial de corante. Esta figura foi modificada de Aminianet al. ¹⁰. clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Arquivo complementar 1 . Incluídos os desenhos do CAD de 3Hexagonal conector D (hex_connector_3D.STL)

Arquivo complementar 2 . Incluídos os desenhos do CAD de 3D Injector Post (injector_post_3D.STL)

Arquivo complementar 3 . Incluídos os desenhos do CAD de 3D reservatório (reservoir_3D.STL)

Arquivo complementar 4 . Incluídos os desenhos do CAD de 3D placas de tubo grosso (plate_thick_3D.STL)

Arquivo complementar 5 . Incluídos os desenhos do CAD de 3D placas finas de tubulação (plate_thin_3D.STL)

Discussão

Após injetar corante na tubulação, o bolo é transportado longe a agulha de injeção, usando um fluxo constante. Em seguida, é necessário esperar o tempo suficiente para o corante difunda em toda a seção transversal do canal. Desta forma, uma distribuição gaussiana, como uniforme é obtida e servirá como a condição inicial para o experimento. Portanto, um fluxo laminar fundo é criado com a bomba de seringa programável. O experimental executado tem a duração de 5 min com fotos tiradas a cada segundo.

Os problemas mais comuns na instalação vêm a conexão das partes e dos canos. As várias partes de 3D-impresso precisam ser selada corretamente quando ligado para evitar vazamento. Os tubos de vidro são muito delicados e devem ser manuseados e instalados com cuidado.

Um problema que encontramos ao fazer a transição do tubo retangular fino ao grosso tubo quadrado foi relacionado ao fato de que o volume do tubo foi reduzido por um fator de 10. Para manter a mesma velocidade de vazão média transversal com a montada 12 mL seringa, a velocidade do êmbolo em bomba de seringa A precisaria ser extremamente baixa. A esta velocidade programada, a velocidade do êmbolo não era mais uniforme e um fluxo constante não pode ser garantido por todo o experimental. Portanto, nós mudamos para uma seringa de 1 mL muito menor quando se trabalha com a tubulação quadrada grossa na etapa 2.5.1.

Além disso, um deve verificar se a intensidade média ao longo da dimensão vertical do tubo na condição inicial é aproximadamente uniforme. Se não, precisa de uma máscara de filtragem para ser aplicado em todos os quadros para explicar esta discrepância.

A parte menos repetitivo do experimento é a injeção de corante (e consequentemente a largura da distribuição inicial). Conforme ilustrado anteriormente, não é uma preocupação para combinar com as simulações de Monte Carlo, como a condição inicial experimental pode ser recriada usando a análise da fotografia inicial. A injeção de corante e consequente retirada manual não podem produzir sempre tintura plugues de precisamente a mesma largura. Especial cuidado deve ser aplicado ao configurar o bólus inicial de tintura. A experiência torna-se mais reproduzível como pesquisadores ganham experiência nesta parte do protocolo, mas certamente poderiam ser introduzidas melhorias futuras.

Ao comparar a configuração com dispositivos microfluídicos, o único parâmetro que aparecem na equação governante quando apropriadamente adimensional é no número de Péclet Pe se o apalpador é passivo, ou seja, a evolução do marcador é desacoplado do fluxo. Similaridade dinâmica está implícita na assunção de Reynolds baixos (Re << 1) que garante estável fluxos laminar u(y,z). Estes dois parâmetros são definindo a semelhança completa entre microfluidic configurações e as escalas de nosso experimento. Na prática, o comprimento físico do tubo somente restringe os tempos plota que chegaremos em segurança com nossa configuração. Por vezes não-dimensional muito tarde, o comprimento necessário do tubo poderia se tornar proibitivamente longo para um número fixo de Péclet nesta configuração em grande escala.

Uma limitação óbvia deste protocolo experimental é que os dados coletados são uma representação 2D projetada de geometria 3D, como as fotos são tiradas de cima para baixo no tubo. O processo atual só permite para obter a evolução da distribuição do corante transversalmente em média. Obtendo uma distribuição definida em cada local no tubo, em vez de sua seção transversal média e comparação com as previsões teóricas e numéricas são objecto de investigação em curso.

Todas as partes da instalação experimental tem desenhos técnicos disponíveis para download, o que torna a configuração personalizável por qualquer pesquisador interessado e facilmente acessível. Baseando-se os resultados atuais, a mesma configuração será usada para estudar geometrias mais complexo e inexplorado do tubo, bem como regimes de fluxo diferentes.

Materiais

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