Диффузия пассивная Трейсеры в поток ламинарный сдвига

Summary

Протокол для изучения распространения пассивной Трейсеры ламинарного потока давления driven представлен. Процедура применяется для различных геометрий капиллярной трубой.

Abstract

Описан простой способ экспериментально наблюдать и измерять дисперсии трассирующими пассивным в ламинарного потока жидкости. Метод состоит из первой инъекции Люминесцентную краску непосредственно в трубу с дистиллированной водой и позволяя ему распространить по всему сечению трубы для получения равномерно распределенных первоначального состояния. После этого периода ламинарный поток активируется с программируемой шприцевый насос наблюдать соревнования адвекции и диффузии трассировщик через трубу. Асимметрия в распределении трассировщик изучаются, и корреляции между сечение трубы и форма распределения показано: тонкие каналы (пропорции << 1) производят Трейсеры прибывающих с острыми фронтах и сужающийся (хвосты выделение дистрибутивов), а толстые каналы (пропорции ~ 1) противоположное поведение (обратно загрузить дистрибутивы). Экспериментальная процедура применяется для капиллярной трубки различных геометрий и особенно важна для приложений microfluidic динамичного схожесть.

Introduction

В последние годы значительные усилия были сосредоточены на разработке microfluidic и лаборатория на чипе устройств, которые могут сократить расходы и повысить производительность химического приготовления и диагностики для целого ряда приложений. Одна из главных особенностей microfluidic приборы давления управляемый транспорт жидкости и растворенных растворенных веществ через микроканалов. В этом контексте приобретает все большее значение лучше понять контролируемые поставки растворенных веществ в микромасштабные. В частности приложений, таких как хроматографического разделения^1,2 и microfluidic потока инъекций анализ^3,4 требуют улучшения управления и понимания вещества доставки. Исследователи в микрофлюидика изучал и документально влияние формы поперечного сечения канала на экстракцию, распространение^5,6,7,8и роль канала пропорции ^{9 , 10}.

Аналитические и численные исследования вещества распространяется вдоль каналов недавно привели к выявлению взаимосвязи между геометрии поперечного сечения трубы и форма распределения^9,10. В ранние сроки, распределение сильно зависит от геометрии: прямоугольные трубы нарушения симметрии почти сразу же, в то время как эллиптической трубы сохраняют свои первоначальные симметрии гораздо больше⁹. С другой стороны прогрессирует в дольше сроки асимметрии в распределении вещества больше не дифференцировать эллипсы из прямоугольников и устанавливаются исключительно путем поперечного сечения соотношение λ (отношение краткосрочной и длинной стороне). Учитывая «трубы» эллиптических сечений и «каналы» прямоугольного сечения прогнозы от численного моделирования и асимптотический анализ были оценивали с лабораторных экспериментов. Тонкие каналы (пропорции << 1) производят растворенных веществ, прибывающих с острыми фронтах и сужающийся хвосты, а толстые каналы (пропорции ~ 1) представляют противоположные поведение¹⁰. Этот надежный эффект относительно нечувствительны к начальным условиям и может использоваться для помочь выбрать профиль распределения вещества, необходимые для любого приложения.

Поведение, изложенные выше сортировки тонкий по сравнению с толщиной доменов происходит до классического режима «Тейлор дисперсии». Тейлор дисперсии относится к расширенной распространение пассивной растворенных веществ в ламинарный поток (стабильно на низкое число Рейнольдса, ре) с увеличенным эффективной температуропроводности, пропорциональна экстракцию молекулярной температуропроводности κ¹¹. Это улучшение наблюдается только после долго, диффузионные сроков, когда экстракцию рассеянный через канал. Такие диффузионного шкалы времени определяется в терминах характеристическая длина шкалы геометрии, как t_d =²/κ. Число пекле является безразмерного параметра, который измеряет относительную важность жидкости адвекции воздействию диффузии. Мы определяем этот параметр с точки зрения короткие длина шкалы как Pe = Ua/κ, где U-скорость характеристика потока. (Число Рейнольдса может определяться с точки зрения числа пекле как Re = Pe κ/ν, где ν это Кинематическая вязкость жидкости). Типичные значения чисел Пекле microfluidic приложений¹² варьируются от 10 до 10⁵, с молекулярной diffusivities, начиная от 10^-7 до 10^-5 см²залы таким образом, учитывая скорость потока и длина шкалы интерес, она важно, чтобы понять поведение растворов для средней длины сроками (относительно диффузионного шкалы), хорошо прошлом первоначальных наблюдениях геометрии driven поведения и в кросс-секторальная-управляемый режимы универсальные для большого класса геометрий.

Учитывая интерес к microfluidic приложений, выбор экспериментальной установки может в крупном сначала показаться неестественным. Эксперименты, сообщили здесь находятся на миллиметровой шкалы, не в микромасштабные как истинный microfluidic приборы. Однако же физического поведения характеризуют обеих систем и количественное исследование соответствующих явлений все еще может быть достигнуто путем правильно масштабирования руководящим уравнения, так же, как масштаб модели самолета оцениваются в аэродинамических трубах во время разработки фаза. В частности соответствующие безразмерного параметры (например, число пекле для нашего эксперимента) обеспечивает адаптивность экспериментальной модели. Работая в таких больших масштабах, при сохранении ламинарные давления управляемый поток, предлагает несколько преимуществ перед традиционными микромасштабной установки. В частности, оборудования, необходимого для производства, выполнять и визуализировать настоящего эксперименты, проще в эксплуатации и менее дорогостоящим. Кроме того другие общие проблемы работы с микроканалов, как частые засорения и расширение влияния производственных допусков, смягчаются с более крупные установки. Другим возможным этой экспериментальной установки используется для исследования распределения времени проживания (RTD) в ламинарный потоки¹³.

Асимметрии, возникающие в примеси распределения по течению могут быть проанализированы через свои статистические моменты; в частности асимметрии, которая определяется как центрированный, нормализованных третий момент, является низкий порядок неотъемлемой статистика измерения асимметрии распределения. Проявление асимметричности обычно указывает форму распределения, т.е. Если это изначальная (отрицательный коэффициент асимметрии) или загружена обратно (положительный коэффициент асимметрии). Сосредоточив внимание на пропорции каналов, существует четкая взаимосвязь тонких геометрий с перегрузом дистрибутивов, и толстые геометрий с обратно загрузить дистрибутивы¹⁰. Кроме того критические пропорции, разделив эти два противоположных поведения может рассчитываться для эллиптической трубы и прямоугольные воздуховоды. Такие пропорции кроссовер являются на удивление схожими для стандартных геометрии, в частности, λ * = 0.49031 для труб и λ * = 0.49038 для воздуховодов, наводящий универсальности теория¹⁰.

Экспериментальная установка и метода, описанного в этом документе используются для изучения распространения давления driven пассивной растворимое в ламинарные жидкость течет по всему стеклянные капилляры различных сечений. Простота и воспроизводимости результатов эксперимента определяет надежный метод анализа для понимания связи между геометрическими сечение трубы и результирующая форма вводили вещества распределения, как транспортируется вниз по течению. Легко сравнивать математических и численные результаты в условиях физической лаборатории был разработан метод обсуждали в этой работе.

Простой экспериментальной процедуры описан, который подчеркивает окончательное роль, которую играют оптимизированных канал поперечных пропорции в установлении форма вещества распределения по течению. Экспериментальная установка требует программируемого шприцевый насос производить ламинарные устойчивый поток, гладкие трубы стеклянные различных сечений, второй шприц насос придать диффундирующих растворимое (например. краски флуоресцеин) в окружающие ламинарного потока, и УФ-А огни и камеры для записи вещества эволюции. Файлы CAD предоставляются для всех пользовательских частей таких файлов и установки могут быть использованы для 3D-печати экспериментальной деталей до сборки.

Protocol

1. Подготовка частей для построения экспериментальной установки Использовать 3D CAD чертежи прилагается (.stl формат) для 3D-печати сообщение инжектор, водохранилище, гексагональной соединитель и две пластины для использования в качестве крепления для труб (два для каждой геометрии).Примечание: Кроме того, некоторые части установки может быть лазером. В настоящем докладе, квадрат толщиной трубы был смонтирован с лазерной резки пластин, в то время как тонкие прямоугольные трубы был смонтирован с 3D-печатных пластин. Получения гладкой стеклянной капиллярной трубы требуемой геометрии.Примечание: В настоящем докладе используются две геометрии трубы: 30 см длинные трубы квадратного сечения-внутреннего сечения 1 мм x 1 мм и толщиной стенки 0,2 мм; 30 см длины трубы прямоугольного сечения-внутреннего сечения 1 мм x 10 мм и толщиной стенки 0,7 мм. Квадратные трубы отныне именуется как толстой трубе, тогда как прямоугольная труба именуется как тонкие трубы. 2. Ассамблея экспериментальной установки Нажатие печати 3D частей Нажмите пост инжектор с обеих сторон с ДНЯО нажмите 1/8″(0,32 см) где будут устанавливаться иглу и ввода красителя. Нажмите водохранилища в спину с краном 10-32, где будет устанавливаться дренажной трубки. Коснуться четырех отверстий для винтов 6-32 краном на передней части водохранилища. Нажмите кусок гексагональной разъем на верхней и нижней одним касанием 6-32. Подготовить резьбовых деталей 3D-печати Инжектор пост Обложка нити колючей шланг фитинги с PTFE, уплотнительная лента. Ввернуть подготовленный фитинга на спине отверстие инжектора пост. Вырезать 30 см длинный кусок пластиковых труб (внутренний диаметр 3.30 мм). Вставьте трубку на переходник шланга. Обложка нити дозирования иглы из нержавеющей стали (наружный диаметр 0,71 мм) с PTFE, уплотнительная лента. Винт подачи иглы из нержавеющей стали на фронт (большой) отверстие на инжектор пост. Водохранилище Обложка нити небольшой колючей шланг фитинги с PTFE, уплотнительная лента. Ввернуть подготовленный фитинга на спине отверстие водохранилища (меньшие отверстия). Вырезать 30 см длинный кусок пластиковых труб (внутренний диаметр 3.30 мм). Вставьте трубу на переходник шланга. Закройте другой конец трубки с низкой капитализацией.Примечание: Это будет дренажной системы для водохранилища. Место резиновое уплотнительное кольцо (маслобензостойкие Buna-N уплотнительное кольцо, 1/16″(0,16 см) Дробная ширина, тире номер 016) в циркуляре спада на трубы стороне резервуара. Гексагональной разъем Обложка нити небольшой колючей шланг фитинги с PTFE, уплотнительная лента. Ввернуть подготовленный фитинга на забой гексагональной соединителя. Вырезать 30 см длинный кусок пластиковых труб (внутренний диаметр 3.30 мм). Вставьте трубку на переходник шланга. Обложка переходник шланга с Фторопластовой уплотнительной ленты. Убедитесь в том покрыть переходник шланга, идя против потоков. Вырезать 4 см длинный кусок пластиковых труб (внутренний диаметр 3.30 мм). Вставьте трубку на переходник шланга. Подготовка трубы Распространите тонким слоем РТВ резиновый уплотнитель 2 мм от каждого конца трубы. Распространения герметик равномерно вокруг трубы и убедитесь в том, чтобы не препятствовать доступу трубы с герметиком. Смонтируйте трубу на 3D-печатных пластин, осторожно вставив ее в нарезанные отверстия на Адаптеры 3D-печати труб. Убедитесь в том подтолкнуть трубы в по крайней мере 2 мм так что герметика вдоль каждой стороны контактов пластинами. Тщательно распространение герметик на кромке пластины, так, что труба получает запечатанный в вырез. Подождите, по крайней мере 12 h для герметика для полностью вулканизации, таким образом герметизации труб на пластины. Мера 0.40 g флуоресцеин порошка для приготовления раствора красителя. Развести порошок в 0,50 Л дистиллированной воды для получения желаемого краситель концентрации (концентрация 0,80 г/Л).Примечание: Температуропроводности флуоресцеин в воде оценкам, выполняя наименьших квадратов подходят аналитические выражения для второй момент отруб усредненной трассирующими распределения в геометрии круговой трубы14 -экспериментальный измерение такого же количества. Коэффициент молекулярной диффузии считается κ = 5,7 х 10-6 см /2, в соответствии с ранее опубликованных значений температуропроводности флуоресцеин в чистой воде. Ассамблея Шприцевой насос установки Заполните Пластиковый шприц 12 мл с резиновой поршень с дистиллированной водой. Вставьте пластиковые дозирования наконечник на шприц. Смонтируйте шприца шприцевый насос A. Подключите шприца до 30 см длиной трубки вставляется в нижней части гексагональной соединителя. Заполните Пластиковый шприц 1 мл с резиновой поршень с дистиллированной водой. Смонтировать шприца шприцевый насос A. Cut 30 см длинный кусок пластиковых труб (внутренний диаметр 3.30 мм). Приложите его к Пластиковый шприц 1 мл.Примечание: Оба шприцы с дистиллированной водой монтируются на шприцевый насос а. Как насос задеиствуется, вода будет извлечена из обоих шприцы. Первый использоваться настолько 12 мл шприц, 1 мл шприц должен быть подключен к сливной трубе чтобы избежать разлива воды. Этот шаг не является необходимым для тонкой прямоугольной трубы. Установка форсунок Заполните Пластиковый шприц 3 мл с резиновой поршень с решением флюоресцеином. Вставьте пластиковые дозирования наконечник на шприц. Подсоедините трубку, подключен к задней части инжектор красителя шприца. Залейте раствор красителя инжектор пост вводя вручную краска через шприц удерживая пост инжектор горизонтально (т.е. с иглой, ориентированной вверх и выше шприц). Продолжать настаивать на шприц, до тех пор, пока инжектор красителя полностью и без воздуха в ловушке внутри. Смонтируйте шприца шприцевый насос B. зажим инжектор пост на край скамьи лаборатории таким образом, что это можно добраться на метро, подключенных к шприцевый насос. Вставьте маленький шайбы на четырех длинных винтов (потока нержавеющей Пан голова Филлипс винтов 6-32, 2-1/4″(5,76 см) длина). Вставьте четыре винта в четыре отверстия вокруг иглы.Примечание: Убедитесь, головку винта на задней пост инжектора (на той же стороне, что трубки подключены к краситель шприц). Гексагональной разъем Место два O-кольца (маслобензостойкие Buna-N уплотнительное кольцо, 1/16″(0,16 см) Дробная ширина, тире номер 016) в круговой вырезами на каждой стороне гексагональной соединителя. Прикрепите гексагональной разъем на должность инжектор, совместив отверстия в четыре винта и вставив его на них. Убедитесь, что у стороны с больше отверстие, стоящих перед инжектор пост. Проверьте и убедитесь, что кольцо не выйти место когда зажат между двумя частями. Труба Прикрепите один конец-плит, подключен к трубе к разъему гексагональной, совместив отверстия в четыре винта и вставив его на них. Обратите пристальное внимание на иглу, которую необходимо ввести трубы, как он установлен. Затяните четыре винта длинные сжать вместе инжектор, гексагональной соединитель и трубы адаптер пластина, прикрепив четыре 6-32 из нержавеющей стали гайки до конца длинные болты. Убедитесь, что O-кольца не выйти место когда зажат между частями. Прикрепите противоположный конец трубы в водохранилище, используя четыре короткие винты и шайбы (потока нержавеющей Пан голова Филлипс винтов 6-32, 1/2″(1,27 см) длины). Убедитесь, что кольцо не выйти место при компрессии между двумя частями. Зажимают водохранилища в таблице. Убедитесь, что резервуар выравнивается с инжектором пост не согнуть трубу. Воздушные системы добычи: вставка пластикового наконечника дозирования в трубу подключен к верхней части гексагональной соединителя. Прикрепите шприц 3 мл для пластикового наконечника.Примечание: Этот шприц будет использоваться для извлечения любых воздушных пузырьков, захваченных в системе. Огни и камеры Место два 61 cm длинный УФ-А трубки огни на каждой стороне экспериментальной установки.Примечание: Существует специально трек на каждой стороне инжектора и водохранилище. Эксперимент должен запускаться в темноте с УФ-А огни трубки, включен. Поместите камеру с карты памяти выше экспериментальной установки вниз.Примечание: Камера следует располагать по меньшей мере 1 м выше трубы. Таким образом кадр будет включать в себя весь труба. DSLR камеры был использован с объективом настраиваемым фокусным, 24-120 мм. Программа камеры, с помощью удаленного триггер снимать каждый 1 s с 5.6f диафрагма, скорость затвора 5 и ISO 200. 3. Экспериментальный запуск Установка Заполните емкость с дистиллированной водой до уровня чуть выше трубы. Заполните трубу с дистиллированной водой, нажав на шприцевой насос. Включите свет трубки УФ-А и тянуть затемненные шторы. Запустите программируемых шприцевый насос A очистить трубы любых остатков красителя. Возьмите один эталонный образ трубы с чистой дистиллированной водой.Примечание: Это ссылка на снимок, который будет использоваться в обработке данных шагов позже. Эта фотография необходимо принимать в темноте в условиях, максимально похожие на экспериментальный запуск. Переключите трубки, соединяющей на инжектор пост 1 мл шприц, установленный на шприцевый насос A. Подключите 12 мл шприц к сливной трубки (ранее подключен к 1 мл шприц).Примечание: Этот шаг не является необходимым для тонкой прямоугольной трубы. Исходное состояние Придать 1 мм толстой dollop краситель (3 мм толстой для тонкой прямоугольной трубы) в трубе, выполнив аналоговое шприцевый насос б.Примечание: Этот шаг создает первоначальное условие красителя. Количество красителя вводят зависит от геометрии труб, используемых. Тонкая трубка требует большего количества красителя, потому что его площадь поперечного сечения больше. Прежде чем запустить экспериментальный, краска будет иметь для распространения по всему сечению и инъекционных большее количество красителя гарантирует, что он будет достаточно ярким, чтобы быть захвачен в фотографии, даже после того, как она рассеянный. Программа шприцевый насос A придать дистиллированной воды при скорости потока очень медленно 0,193 мл/ч для толстых квадратные трубы (скорость потока-1,93 мл/ч для тонкой прямоугольной трубы). Запустите шприцевый насос для 5 минут позволить болюс краситель транспортируется вниз по трубе от иглы.Примечание: После 5 мин, краска должна быть около 1 см от иглы. Увеличение скорости потока на один порядок величины для тонких труб является потому, что объем тонких труб в 10 раз, что Толстой трубы. Вытащить краситель шприц обратно вручную, убедившись, что краска не достичь иглу.Примечание: Это будет гарантировать, что есть дистиллированной воды на конце иглы, так что нет больше краски будут рассредоточены в трубу во время экспериментальной. Ждать времени tw > t *d для красителя болюса для распространения по всему сечению трубы.Примечание: Диффузионные время t *d = b2/κ считает характеристическая длина b быть половина стороне долго поперечного сечения. Этот способ вычисления времени ожидания обобщаемым в любых разрезах с подходящим выбором b. Для нашего представителя результаты время ожидания было 15 мин для толстых квадратных труб и 15 h для тонкой прямоугольной трубы. Поток Программа шприцевый насос A для желаемого расхода 1,93 мл/ч для толстых квадратных труб и 19.3 мл/ч для тонкой прямоугольной трубы. В то же время Начните шприцевый насос и удаленного триггер на камеру. Запуск эксперимента для 5 минут, с интервалом между фотографии 1 s. Включите свет номер и принимать изображения правителя, помещены на той же высоте трубы и параллельно с ней.Примечание: Это поможет определить масштаб длины (точек/мм) используется в обработке данных. 4. обработка данных Извлеките карту памяти из камеры и загрузить на компьютер, где будет использоваться обработки изображений программное обеспечение для анализа данных. Анализ MATLAB Первый вычитания ссылка изображения выстрел (прикрепленное в шаг 3.1.3) от первого экспериментального изображения. Обрежьте изображение вдоль верхнего и нижнего края трубы. Убедитесь в том повернуть изображение, если трубы не выравнивается с рамкой. Сумма в чтении интенсивности зеленого канала вертикально в результирующее изображение.Примечание: Это пропорциональна интенсивности всего поперечного сечения краситель как функция длины вдоль трубы. Преобразовать единицы длины от пикселей мм с помощью физическая длина шкалы калибровки изображения (см. шаг 3.3.3). Повторите для всех остальных изображений. Это приводит к временной последовательности кривых, измерения концентрации всего краска по длине трубы.

Representative Results

Экспериментальная установка после того, как Ассамблея показано на рисунке 1. Производится в MATLAB снимках экспериментальных данных выше обработанные эволюция кривой концентрации (рис. 2) для 3-мерного раза. Мы убедились в том, что существует линейная связь между tracer интенсивности и концентрации. Форма распределения меняется как проходит время и краска болюс движется вниз по течению. Рисунок 2 показывает такой эволюции в случае тонкие Прямоугольные канальные геометрии. Первоначальный краситель распределение узкие и симметричный (Гаусса как в отношении продольном направлении и почти единообразных в поперечном сечении, Рисунок 2 слева), но симметрия нарушена почти сразу же, как фоновый поток начинается. Распределение ломает симметрии, представляя резкий фронт и долго сужающийся хвост (рис. 2, средний и правый). Экспериментальные результаты подтверждаются Монте-Карло моделирование выполняется сопоставление начальная скорость распространения и потока (рис. 3). Установлены значения для окрашивания температуропроводности κ определяется в независимый эксперимент (шаг 2.4 в протоколе) и используется в этом сравнении. Монте-Карло методы часто используются для моделирования эволюции переноса диффузии проблем, затрагивающих сложные геометрические объекты как граничные условия (однородной Неймана в данном случае) может быть просто ввода как бильярдный как отражение правила. Подход заключается в образец реализации эквивалентной стохастического дифференциального уравнения, лежащие в основе адвекции диффузионного уравнения в форме безразмерного: где T(x,y,z,t) является распределение трассирующими, τ-время безразмерного нормированный td, x продольной пространственные координаты, y — это короткие поперечная координата, и z давно поперечных координат, все нормализованное по короткой стороне. U(y,z) потока жидкости является ламинарные установившегося решение уравнений Навье-Стокса с без скольжения граничных условий (нет потока на стене), движимый отрицательное давление градиент. Гаусса исходных данных в продольном направлении трубы с желаемой дисперсии можно получить путем рассмотрения только диффузии (Pe = 0) и развивается частиц на требуемое время в соответствии с шириной экспериментальных начальных данных9,10 . Эти представительные результаты были получены с помощью значения интенсивности потока, указанного в протоколе, однако мы ожидаем, что загрузка явлений, наблюдается в целом проводить для ламинарного режима10 (рис. 3). Рисунок 1 : Экспериментальная установка. (A) схема экспериментальной установки. Эта цифра была изменена от Аминиани др. 10. (B) Презентация фактической установки. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры. Рисунок 2 : Снимки обработанных данных в разное время в. Верхний ряд: Фото концентрации красителя распространяется вдоль поперечные трубки, обычно наблюдается долго поперечного направления на повышение-мерного раз. Вертикальная ось масштабируется 5 раз ясности. Внизу: интенсивность окрашивания концентрации вычисляется суммированием вдоль долго поперечного направления. Пиковое значение нормализуется. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры. Рисунок 3 : Сравнение концентрации распределения между моделирование Монте-Карло и экспериментов. Эволюция отруб усредненной краситель концентрации вдоль продольной длины трубы отображается на двух моментов времени: τ = 0,15 и τ = 0.30. Пунктирные линии являются результаты моделирования, в то время как сплошной линии представляют экспериментальных данных. Вверху: сравнение в толстые (квадрат) канала; внизу: сравнение в тонких (прямоугольный) канала. Площадь под каждой кривой нормируется одним и x = 0 соответствует к центру начальной вилки красителя. Эта цифра была изменена от Аминиани др. 10. пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры. Дополнительный файл 1 . Включены чертежи CAD 3D гексагональной разъем (hex_connector_3D.STL) Дополнительный файл 2 . Включены чертежи CAD 3D инжектор пост (injector_post_3D.STL) Дополнительный файл 3 . Включены чертежи CAD 3D водохранилище (reservoir_3D.STL) Дополнительный файл 4 . Включены чертежи CAD 3D толстолистовой трубы (plate_thick_3D.STL) Дополнительный файл 5 . Включены чертежи CAD 3D тонкие пластины трубы (plate_thin_3D.STL)

Discussion

После парентерального введения красителя в трубу, болюс транспортируется от иглу, используя устойчивый поток. Затем это нужно достаточно долго ждать краска для распространения через сечение канала. Таким образом создается равномерное распределение Гаусса как получается и будет служить первоначальное условие для эксперимента. Следовательно поток ламинарный фон создается с программируемой шприцевой насос. Экспериментальный запуск длится 5 минут с фотографиями, снятыми каждую секунду.

Наиболее распространенные проблемы в настройке приходят от соединения частей и труб. Различные части 3D-печати должны быть опечатаны должным образом при подключении к избежать утечки. Трубы стеклянные являются очень деликатной и должны быть обработаны и установлены с осторожностью.

Вопрос, который мы столкнулись, когда переход от тонкой прямоугольной трубы толщиной квадратных труб было связано с тот факт, что трубы объем был сокращен на коэффициент 10. Для поддержания же поперечного сечения потока средняя скорость с подключенного 12 мл шприц, поршень скорость в шприцевой насос, который A бы необходимо быть крайне низким. Этот запрограммированной скоростью скорость поршень больше не был равномерным и устойчивый поток не может быть гарантировано во всем экспериментальный запуск. Таким образом мы перешли на гораздо меньших 1 мл шприц при работе с толщиной квадратные трубы в шаге 2.5.1.

Кроме того следует убедиться, что средняя интенсивность вдоль вертикального измерения труб в первоначальном состоянии примерно равномерное. Если нет, то фильтрации маски необходимо применять во всех кадрах для учета этого несоответствия.

Наименее повторяемые частью эксперимента является краска инъекции (и, следовательно, ширина первоначального распределения). Как показано ранее, это не беспокойство для сопоставления с моделирование Монте-Карло, как экспериментальный первоначального состояния могут быть воссозданы с помощью анализа первоначального фотографии. Краситель инъекций и последующего снятия вручную может не всегда производят краситель вилки точно такой же ширины. Особое внимание необходимо применять при создании первоначального краситель болюса. Эксперимента становится более повторяемые как исследователи получить опыт работы в этой части протокола, но будущего улучшения безусловно могут быть сделаны.

При сравнении установки с microfluidic приборы, единственный параметр, которые появляются в уравнении руководящим когда надлежащим образом nondimensionalized Pe чисел Пекле если tracer является пассивной, т.е. эволюция трассировщик центровку из потока. Динамический сходство неявное предположение низкой Рейнольдс (Re << 1) которая обеспечивает стабильные потоки ламинарного u(y,z). Эти два параметра определяют полное сходство между microfluidic установок и весы нашего эксперимента. На практике физическая длина трубы ограничивает только безразмерного раз мы можем безопасно достичь с нашей установки. Для очень поздно-мерного раз необходимая длина трубы может стать чрезмерно длинные для фиксированного числа пекле в этой крупномасштабной установки.

Очевидные ограничения этот экспериментальный протокол является собранные данные прогнозируемых 2D представление 3D геометрии как съемки сверху вниз по трубе. Только текущий процесс позволяет получить эволюции распределения отруб усредненной красителя. Получения распределения определяется в каждом месте в трубе, а не на его поперечного сечения среднего и сравнение с теоретических и численных прогнозов являются предметом текущих исследований.

Все части экспериментальной установки имеют технические чертежи, доступные для загрузки, что делает настройку легко доступны и настраиваемый любой исследователь заинтересован. Опираясь на результаты, будет использоваться же установки для изучения более сложных и неисследованных геометрии труб, а также различными режимами.

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