Name: the diffusion of passive tracers in laminar shear flow
Uploaded: 2018-05-01T13:30:00.000+00:00
Duration: 8 min 1 s
Description: Watch this Scientific Journal Video about The Diffusion of Passive Tracers in Laminar Shear Flow at JoVE.com

نعترف بتمويل من مكتب الأبحاث البحرية (منحة درب N00014-12-1-0749) والمؤسسة الوطنية للعلوم (المنح RTG DMS--0943851، CMG قوس-1025523، 1009750 نظام إدارة الوجهات السياحية، ونظام إدارة الوجهات السياحية-1517879). بالإضافة إلى ذلك، نحن نعترف بالعمل لسارة جيم بورنيت الذي ساعد في تطوير إصدار مبكر من الإعداد التجريبية والبروتوكول.

1. إعداد أجزاء لبناء برنامج الإعداد التجريبية
<ol><li>استخدام 3D CAD الرسومات المرفقة (الشكل.stl) للطباعة 3D وظيفة حاقن، خزان، موصل سداسية، ولوحات اثنين لاستخدامها يتصاعد للأنابيب (اثنان لكل هندسة). ملاحظة: بدلاً من ذلك، بعض أجزاء من برنامج الإعداد يمكن أن الليزر قطع. في هذا التقرير، الساحة تم تحميلها مع لوحات الليزر قطع أنابيب سميكة، بينما رقيقة مستطيلة الشكل تم تحميل الأنابيب مع لوحات طباعة 3D.</li>
	<li>الحصول على أنابيب زجاجية السلس الشعرية للهندسة المطلوبة. ملاحظة: استخدمت في هذا التقرير، هما الأنابيب هندستها هي: 30 سم طوله الأنابيب من شريحة مربعة-الداخلية المقطع العرضي 1 مم × 1 مم وسمك الجدار 0.2 مم؛ 30 سم طوله الأنابيب من شريحة مستطيلة-الداخلية المقطع العرضي 1 مم × 10 مم وسمك الجدار 0.7 مم. الأنابيب مربعة من الآن فصاعدا يشار إلى الأنبوب سميك، بينما أنابيب مستطيلة يشار إلى الأنابيب رقيقة.</li>
</ol>2. الجمعية للإعداد التجريبية
<ol><li>التنصت على الأجزاء المطبوعة 3D<ol>
<li>انقر فوق وظيفة حاقن على كلا الجانبين مع معاهدة عدم الانتشار الاستفادة 1/8 "(0.32 سم) حيث سيتم تثبيت إبرة حقن وصبغ الإدخال. الاستفادة من الخزان في الظهر مع الاستفادة 10-32 حيث سيتم تركيب أنبوب استنزاف.</li>
		<li>انقر فوق فتحات المسامير الأربعة مع الاستفادة 6-32 في الجزء الأمامي الخزان. انقر فوق قطعة موصل سداسية في أعلى وأسفل مع الاستفادة من 6-32.</li>
	</ol></li>
	<li>إعداد الأجزاء المطبوعة 3D استغلالها<ol>
<li>وظيفة حاقن<ol>
<li>وتشمل المواضيع الشائكة خرطوم المناسب مع السليكوون ختم الشريط. المسمار المناسب مستعدة على الثقب الخلفي وظيفة حاقن. قص قطعة سم طوله 30 من الأنابيب البلاستيكية (القطر الداخلي 3.30 ملم). إدراج في الأنبوبة على محول خرطوم.</li>
			<li>تغطية مواضيع الإبرة الاستغناء عن الفولاذ المقاوم للصدأ (القطر الخارجي مم 0.71) مع السليكوون ختم الشريط. المسمار الإبرة الاستغناء عن الفولاذ المقاوم للصدأ في الحفرة (كبير) الجبهة على وظيفة حاقن.</li>
		</ol>
</li>
		<li>خزان<ol>
<li>تغطية المواضيع الصغيرة الشائكة خرطوم المناسب مع السليكوون ختم الشريط. المسمار المناسب مستعدة على الثقب الخلفي من الخزان (فتحه صغيرة).</li>
			<li>قص قطعة سم طوله 30 من الأنابيب البلاستيكية (القطر الداخلي 3.30 ملم). إدراج الأنبوب على محول خرطوم. إغلاق الطرف الآخر من الأنبوب مع قبعة صغيرة. ملاحظة: سوف يكون هذا النظام استنزاف للخزان.</li>
			<li>وضع مطاط الدائري (مقاوم للنفط Buna-N الدائري، 1/16 "(0.16 سم) العرض كسرى، داش رقم 016) في فترة الركود التعميم على الجانب الأنابيب من الخزان.</li>
		</ol>
</li>
		<li>رابط سداسية<ol>
<li>تغطية المواضيع الصغيرة الشائكة خرطوم المناسب مع السليكوون ختم الشريط. المسمار المناسب مستعدة على حفرة أسفل الرابط سداسية.</li>
			<li>قص قطعة سم طوله 30 من الأنابيب البلاستيكية (القطر الداخلي 3.30 ملم). إدراج في الأنبوبة على محول خرطوم.</li>
			<li>تغطية محول خرطوم مع السليكوون الشريط الختم. تأكد من تغطية محول خرطوم تسير ضد المواضيع.</li>
			<li>قص قطعة سم طوله 4 من الأنابيب البلاستيكية (القطر الداخلي 3.30 ملم). إدراج في الأنبوبة على محول خرطوم.</li>
		</ol>
</li>
	</ol></li>
	<li>إعداد الأنابيب<ol>
<li>توزيع طبقة رقيقة من محطة إذاعة وتليفزيون المطاط تسرب مم 2 بعيداً عن كل نهاية الأنبوب. انتشار تسرب بالتساوي حول الجزء الخارجي الأنابيب، والتأكد من عدم عرقلة وصول الأنابيب مع التسرب.</li>
		<li>جبل الأنابيب على لوحات طباعة 3D بإدراجه بعناية في الثقوب قبل قطع على المحولات الأنابيب طباعة 3D. تأكد من دفع الأنابيب في مالا يقل عن 2 ملم حيث أن تسرب كل جنبا إلى جنب مع جهات الاتصال مع اللوحات.</li>
		<li>انتشار التسرب على حافة اللوحة بعناية حيث أن يحصل مختومة الأنابيب إلى انقطاع. الانتظار على الأقل 12 ح للتسرب فولكانيزي تماما ومن ثم ختم الأنابيب على اللوحات.</li>
	</ol></li>
	<li>قياس 0.40 جم مسحوق فلوريسسين لإعداد الحل الصبغ. تمييع مسحوق إلى 0.50 لتر ماء المقطر للحصول على تركيز الصبغ المطلوب (تركيز 0.80 غرام/لتر). ملاحظة: الانتشارية فلوريسسين في المياه يقدر بأداء مربعات الصغرى يصلح للتعبير تحليلياً للحظة توزيع الراسم كروسسيكتيونالي متوسط في هندسة أنابيب دائرية14 إلى التجريبية الثانية قياس بنفس الكمية. معامل الانتشار الجزيئي يقدر بنحو κ = 5.7 × 10-6 سم2/ق، اتساقا مع القيم المنشورة سابقا من الانتشارية فلوريسسين في المياه النقية.</li>
	<li>الجمعية العامة<ol>
<li>مضخة الحقن الإعداد<ol>
<li>ملء المحاقن بلاستيكية 12 مل مع المكبس مطاط بماء مقطر. إدراج تلميح الاستغناء عن بلاستيك إلى المحاقن. جبل المحاقن على ضخ حقنه الاتصال ألف حقنه لأنبوب طوله سم 30 إدراج في الجزء السفلي من الموصل سداسية.</li>
			<li>ملء المحاقن بلاستيكية 1 مل مع المكبس مطاط بماء مقطر. جبل المحاقن على مضخة الحقن أ قص قطعة سم طوله 30 من الأنابيب البلاستيكية (القطر الداخلي 3.30 ملم). إرفاقه بحقنه بلاستيكية 1 مل. ملاحظة: كلا المحاقن مملوءة بالماء المقطر هي التي شنت على مضخة الحقن أ كما يتم تنشيط المضخة، يتم إخراج المياه من كلا المحاقن. هو أول واحد لاستخدام المحاقن 12 مل، ذلك حقنه 1 مل يحتاج أن تكون متصلاً بأنبوب تصريف لتجنب تسرب المياه. هذه الخطوة غير ضرورية للأنابيب مستطيلة رقيقة.</li>
		</ol>
</li>
		<li>الإعداد حاقن<ol>
<li>ملء المحاقن بلاستيكية 3 مل مع المكبس مطاط مع الحل فلوريسسين. إدراج تلميح الاستغناء عن بلاستيك إلى المحاقن.</li>
			<li>إرفاق أنبوب متصل بالجزء الخلفي محقن لحقنه الصبغة.</li>
			<li>شغل هذا المنصب حاقن صبغ للحل عن طريق حقن صبغة يدوياً عن طريق المحاقن بينما منصب حاقن أفقياً (أي. مع الإبرة الموجهة نحو صعودا وأعلاه المحاقن). الاحتفاظ بدفع في المحاقن حتى محقن ممتلئ تماما لصبغ ولا الجوية المحاصرين داخل.</li>
			<li>جبل المحاقن على ضخ حقنه ب المشبك محقن وظيفة إلى الحافة من مقاعد البدلاء المختبر بطريقة أنها قابلة للوصول بأنبوب متصل بمضخة الحقن.</li>
			<li>إدراج غسالات صغيرة على أربعة مسامير طويلة (مؤشر الترابط "غير القابل للصدأ عموم رئيس فيليبس آلة مسامير" 6-32، (5.76 سم) طول 2-1/4 "). إدراج أربعة مسامير في الثقوب الأربعة المحيطة بالإبرة. ملاحظة: تأكد من رأس المسمار في الجزء الخلفي وظيفة حاقن (على نفس الجانب الأنبوب متصل بحقنه الصبغة).</li>
		</ol>
</li>
		<li>رابط سداسية<ol>
<li>ضع اثنين سين بين عصابات (مقاوم للنفط Buna-N "الدائري"، 1/16 "(0.16 سم) العرض كسرى، داش رقم 016) في القواطع التعميم على كل جانب من الموصل سداسية.</li>
			<li>توصيل موصل سداسية في منصب حاقن بمحاذاة به ثقوب للمسامير الأربعة وإدراجه بشأنها. تأكد من أن يكون الجانب مع الحفرة الأكبر التي تواجه هذا المنصب حاقن. تحقق وتأكد من أن يا الدائري عدم الخروج من المكان عندما فرضت بين الجزأين.</li>
		</ol>
</li>
		<li>الأنابيب<ol>
<li>إرفاق واحدة من النهاية-لوحات متصلة بالأنابيب إلى موصل سداسية بمحاذاة به ثقوب للمسامير الأربعة وإدراجه لهم. إيلاء اهتمام وثيق للابرة التي يحتاج إلى إدخال الأنابيب كما أنه يجري تحميل.</li>
			<li>تأمين أربعة مسامير طويلة لضغط معا محقن وموصل سداسية لوحة محول الأنابيب عن طريق إرفاق المكسرات الفولاذ المقاوم للصدأ 6-32 أربعة إلى نهاية البراغي طويلة. ضمان أن سين بين عصابات لا تنتقل من مكان عندما فرضت بين الأجزاء.</li>
			<li>نعلق على الطرف الآخر من توجيه الإخراج إلى الخزان باستخدام أربعة مسامير قصيرة وغسالات (مؤشر الترابط "غير القابل للصدأ عموم رئيس فيليبس آلة مسامير" 6-32, 1/2 "(1.27 سم) طول). تحقق من أن يا الدائري عدم الخروج من المكان عند ضغط بين الجزأين.</li>
		</ol>
</li>
		<li>المشبك الخزان إلى طاولة المفاوضات. تأكد من محاذاة الخزان مع وظيفة حاقن لعدم ثني الأنابيب.</li>
		<li>نظام استخراج الهواء: إدراج تلميح الاستغناء عن بلاستيك في الأنبوب متصل بالجزء العلوي من الموصل سداسية. إرفاق حقنه 3 مل إلى الحافة البلاستيكية. ملاحظة: سيتم استخدام هذه المحاقن لاستخراج أي فقاعات الهواء محاصرين في النظام.</li>
		<li>الأضواء والكاميرا<ol>
<li>مكان اثنين 61 سم طوله أنبوب الأشعة فوق البنفسجية-أ الأضواء على كل جانب من الإعداد التجريبية. ملاحظة: يوجد مسار مصممة خصيصا على كل جانب من كل حاقن والخزان. يجب تشغيل هذه التجربة في الظلام مع تشغيل أضواء أنبوب الأشعة فوق البنفسجية-أ.</li>
			<li>مكان كاميرا مع بطاقة الذاكرة أعلاه الإعداد التجريبية إلى الأسفل. ملاحظة: يجب وضع الكاميرا على الأقل 1 متر فوق الأنابيب. وبهذه الطريقة، سوف تشمل الإطار طول الأنابيب كاملة. واستخدمت كاميرا DSLR مع عدسة البعد البؤري للتعديل، 24-120 ملم.</li>
			<li>برنامج الكاميرا باستخدام مشغل نائية لالتقاط صور كل 1 s مع الفتحة 5.6f وسرعة مصراع 5 ISO 200.</li>
		</ol>
</li>
	</ol></li>
</ol>3. تشغيل التجريبية
<ol><li>برنامج الإعداد<ol>
<li>ملء الخزان بالماء المقطر إلى مستوى أعلى قليلاً من الأنابيب. ملء الأنبوب بماء مقطر عن طريق دفع على مضخة الحقن. قم بتشغيل أضواء أنبوب الأشعة فوق البنفسجية-أ وسحب الستائر.</li>
		<li>تشغيل المضخة حقنه القابلة للبرمجة لتدفق الأنابيب من أي صبغة المتبقية.</li>
		<li>تأخذ صورة مرجعية واحدة من أنبوب مملوء بالماء المقطر النقي. ملاحظة: هذا هو المرجع خطوات النار التي سيتم استخدامها في معالجة البيانات في وقت لاحق. هذه الصورة يجب أن يؤخذ في الظلام في ظروف مماثلة قدر الإمكان للتشغيل التجريبي.</li>
		<li>تبديل أنبوب الاتصال بعد حاقن للمحاقن 1 مل شنت على ضخ حقنه الاتصال ألف حقنه 12 مل إلى أنبوب تصريف (كانت متصلة بحقنه 1 مل). ملاحظة: هذه الخطوة غير ضرورية للأنابيب مستطيلة رقيقة.</li>
	</ol>
</li>
	<li>الحالة الأولى<ol>
<li>حقن 1 بوظة مم سميكة من صبغة (3 مم-سميكة للأنبوب مستطيلة رقيقة) في الأنبوب عن طريق تشغيل المضخة حقنه التناظرية باء ملاحظة: هذه الخطوة بإنشاء شرط صبغ الأولية. كمية صبغ حقن يعتمد على هندسة الأنابيب المستخدمة. أنبوب رفيع يتطلب قدرا أكبر من صبغة لمنطقة مستعرضة أكبر. قبل تشغيل التجريبية، وسيتعين الصبغ منتشر عبر المقطع العرضي والحقن كمية أكبر من صبغ ويضمن أنه سيكون مشرق بما يكفي التقاط صور حتى بعد قد انتشر.</li>
		<li>برنامج المحقن مضخة لضخ الماء المقطر بمعدل تدفق بطيء جداً 0.193 مل/ساعة للأنابيب مربعة سميكة (معدل التدفق 1.93 مل/ساعة للأنابيب مستطيلة رقيقة). تشغيل المضخة حقنه لمدة 5 دقائق للسماح لبولس لصبغ بنقلها إلى أسفل الأنابيب بعيداً عن الإبرة. ملاحظة: بعد 5 دقائق، يجب أن تكون الصبغة حوالي 1 سم بعيداً عن الإبرة. الزيادة في معدل التدفق بأمر من حجم واحد للأنابيب رقيقة بسبب حجم الأنابيب رقيقة 10 مرات من الأنابيب سميكة.</li>
		<li>سحب حقنه الصبغة إلى الوراء يدوياً، مع التأكد من أن الصبغة لا تصل إلى الإبرة. ملاحظة: هذا سوف تضمن أن هناك ماء في نهاية الإبرة مقطر حيث أن الصبغة لا أكثر سوف تكون متفرقة في الأنابيب أثناء التشغيل التجريبي.</li>
		<li>انتظر وقت tw > t *د بلعه صبغ منتشر عبر المقطع العرضي للأنبوب. ملاحظة: الوقت انتشارية t *د = ب2κ يرى ب طول مميزة لتكون نصف الجانب مقطعية طويلة. بهذه الطريقة لحساب وقت الانتظار التعميم على أي شريحة مع خياراً ملائماً من ب. لنتائج التمثيلية، وكان وقت الانتظار 15 دقيقة للأنابيب مربعة سميكة وح 15 للأنابيب مستطيلة رقيقة.</li>
	</ol>
</li>
	<li>تدفق<ol>
<li>البرنامج المحقن مضخة A لمعدل التدفق المطلوب لمل 1.93/ح للأنابيب مربعة سميكة ومل 19.3/ح للأنابيب مستطيلة رقيقة.</li>
		<li>بدء تشغيل المضخة المحاقن وعلى الزناد بعيد على الكاميرا في نفس الوقت. تشغيل التجربة لمدة 5 دقائق، مع فاصل زمني بين الصور 1 s.</li>
		<li>تشغيل أضواء الغرفة وتأخذ صورة لمسطرة وضعت في نفس ارتفاع الأنابيب وموازاة لذلك. ملاحظة: وهذا سيساعد في تحديد مقياس الطول (بكسل/مم) المستخدمة في معالجة البيانات.</li>
	</ol>
</li>
</ol>4-معالجة البيانات
<ol><li>استخراج بطاقة الذاكرة من الكاميرا، وتحميل البيانات إلى جهاز كمبيوتر حيث سيتم استخدام برامج معالجة الصور تحليلها.</li>
	<li>تحليل MATLAB<ol>
<li>أولاً قم بطرح النار الصورة المرجعية (خطوة قطعت في 3.1.3) من النسخة التجريبية الأولى.</li>
		<li>اقتصاص الصورة على طول الحواف العلوية والسفلية للأنابيب. تأكد من تدوير الصورة إذا لم يتم محاذاتها الأنابيب مع الإطار.</li>
		<li>مجموع قراءة كثافة قناة الأخضر عمودياً في الصورة الناتجة. ملاحظة: وهذا يتناسب مع شدة صبغ مستعرضة مجموع كدالة لطول على طول الأنابيب.</li>
		<li>تحويل وحدات الطول من بكسل إلى ملم باستخدام مقياس الطول الفعلي من الصورة المعايرة (راجع الخطوة 3.3.3).</li>
		<li>كرر لكل الصور المتبقية. هذه النتائج في تسلسل زمني منحنيات قياس تركيز مجموع صبغ على طول الأنابيب.</li>
	</ol>
</li>
</ol>

<ol>
	<li>Dutta, D., Leighton, D. T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Dispersion+in+Large+Aspect+Ratio+Microchannels+for+Open-Channel+Liquid+Chromatography.">Dispersion in Large Aspect Ratio Microchannels for Open-Channel Liquid Chromatography.</a> Anal. Chem. 75 (1), 57-70 (2003).</li><li>Blom, M. T., Chmela, E., Oosterbroek, R. E., Tijssen, R., van den Berg, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=On-Chip+Hydrodynamic+Chromatography+Separation+and+Detection+on+Nanoparticles+and+Biomolecules.">On-Chip Hydrodynamic Chromatography Separation and Detection on Nanoparticles and Biomolecules.</a> Anal. Chem. 75 (24), 6761-6768 (2003).</li><li>Betteridge, D., Fields, B. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Construction+of+pH+Gradients+in+Flow-Injection+Analysis+and+Their+Potential+Use+for+Multielement+Analysis+in+a+Single+Sample+Bolus.">Construction of pH Gradients in Flow-Injection Analysis and Their Potential Use for Multielement Analysis in a Single Sample Bolus.</a> Anal. Chem. 50 (4), 654-656 (1978).</li><li>Trojanowicz, M., Ko&#322;acin&#769;ska, K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Recent+advances+in+flow+injection+analysis.">Recent advances in flow injection analysis.</a> Analyst. 141, 2085-2139 (2016).</li><li>Ajdari, A., Bontoux, N., Stone, H. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Hydrodynamic+Dispersion+in+Shallow+Microchannels:+The+Effect+of+Cross-Sectional+Shape.">Hydrodynamic Dispersion in Shallow Microchannels: The Effect of Cross-Sectional Shape.</a> Anal. Chem. 78 (2), 387-392 (2006).</li><li>Dutta, D., Ramachandran, A., Leighton, T. D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Effect+of+channel+geometry+on+solute+dispersion+in+pressure-driven+microfluidic+systems.">Effect of channel geometry on solute dispersion in pressure-driven microfluidic systems.</a> Microfluid Nanofluid. 2 (4), 275-290 (2006).</li><li>Bontoux, N., Pe&#769;pin, A., Chen, Y., Ajdari, A., Stone, H. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Experimental+characterization+of+hydrodynamic+dispersion+in+shallow+microchannels.">Experimental characterization of hydrodynamic dispersion in shallow microchannels.</a> Lab Chip. 6, 930-935 (2006).</li><li>Vedel, S., Bruus, H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Transient+Taylor-Aris+dispersion+for+time-dependent+flows+in+straight+channels.">Transient Taylor-Aris dispersion for time-dependent flows in straight channels.</a> J. Fluid Mech. 691, 95-122 (2012).</li><li>Aminian, M., Bernardi, F., Camassa, R., McLaughlin, R. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Squaring+the+Circle:+Geometric+Skewness+and+Symmetry+Breaking+for+Passive+Scalar+Transport+in+Ducts+and+Pipes.">Squaring the Circle: Geometric Skewness and Symmetry Breaking for Passive Scalar Transport in Ducts and Pipes.</a> Phys. Rev. Lett. 115, 154503 (2015).</li><li>Aminian, M., Bernardi, F., Camassa, R., Harris, D. M., McLaughlin, R. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=How+boundaries+shape+chemical+delivery+in+microfluidics.">How boundaries shape chemical delivery in microfluidics.</a> Science. 354 (6317), 1252-1256 (2016).</li><li>Taylor, G. I. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Dispersion+of+soluble+matter+in+solvent+flowing+slowly+through+a+tube.">Dispersion of soluble matter in solvent flowing slowly through a tube.</a> P Roy Soc Lond A Mat. 219 (1137), 186-203 (1953).</li><li>Stone, H. A., Stroock, A. D., Ajdari, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Engineering+Flows+in+Small+Devices:+Microfluidics+Toward+a+Lab-on-a-Chip.">Engineering Flows in Small Devices: Microfluidics Toward a Lab-on-a-Chip.</a> Annu. Rev. Fluid Mech. 36, 381-411 (2004).</li><li>Davis, M. E., Davis, R. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> Fundamentals of chemical reaction engineering. , (2003).</li><li>Barton, N. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=On+the+method+of+moments+for+solute+dispersion.">On the method of moments for solute dispersion.</a> J. Fluid Mech. 126, 205 (1983).</li></ol>

الكتاب ليس لها علاقة بالكشف عن.

بعد حقن الصبغة في الأنابيب، ويتم نقل بولس بعيداً عن تدفق مستمر باستخدام إبرة حقن. ثم، من الضروري الانتظار طويلة بما يكفي للصبغ منتشر عبر المقطع العرضي للقناة. وبهذه الطريقة، يتم الحصول على توزيع غاوسي تشبه موحدة وسيكون بمثابة الشرط الأولى للتجربة. ومن ثم، يتم إنشاء تدفق الصفحي خلفية مع المضخة حقنه قابلة للبرمجة. تشغيل التجريبية وتستمر لمدة 5 دقائق مع الصور التي التقطت كل ثانية.
المشاكل الشائعة في الإعداد تأتي من الاتصال الأجزاء والأنابيب. مختلف أجزاء طباعة 3D بحاجة إلى أن تكون مختومة بشكل صحيح عند توصيله لتجنب تسرب. أنابيب زجاجية حساسة جداً ويجب التعامل معها وتثبيتها بعناية.
مشكلة واجهناها عند الانتقال من أنابيب مستطيلة رقيقة للأنابيب مربعة سميكة تتصل بحقيقة أن حجم الأنابيب قد خفض بمقدار 10. للحفاظ على نفس السرعة تدفق متوسط مستعرضة مع 12 مل المحملة المحاقن، سرعة المكبس في مضخة الحقن أ ستحتاج إلى أن تكون منخفضة للغاية. بهذه السرعة المبرمجة، سرعة المكبس ليست موحدة بعد الآن، ولا يمكن ضمان تدفق مستمر طوال الفترة التجريبية. ولذلك، نحن تحولت إلى حقنه 1 مل أصغر كثيرا عند العمل مع أنابيب مربعة سميكة في خطوة 2.5.1.
أحد ينبغي أن تحقق أيضا من أن كثافة متوسط طول البعد العمودي من الأنابيب في الحالة الأولى تقريبا موحدة. إذا لم يكن الأمر كذلك، قناع تصفية يجب أن تطبق عبر كافة الإطارات لحساب هذا التناقض.
الجزء الأقل تكرار التجربة هو حقن صبغة (وبالتالي عرض التوزيع الأولى). كما هو موضح سابقا، ليس مصدر قلق للمطابقة مع محاكاة مونتي كارلو، كما شرط الأولية التجريبية يمكن أن يعاد استخدام تحليل الصورة الأولى. الحقن بالصبغة وما يترتب عليه من سحب دليل قد لا دائماً تنتج صبغة المقابس من التحديد بنفس العرض. يحتاج عناية خاصة ليتم تطبيقها عند إعداد بلعه صبغ الأولية. التجربة يصبح قابل للتكرار أكثر الباحثين اكتساب الخبرة في هذا الجزء من البروتوكول، ولكن من الممكن التأكيد إدخال تحسينات في المستقبل.
عند مقارنة الإعداد مع أجهزة موائع جزيئية، المعلمة الوحيدة التي تظهر في معادلة الحكم في عندما يكون مناسب نونديمينسيوناليزيد Pe رقم Péclet إذا التتبع سلبي، أي تطور الراسم أونكوبليد من التدفق. التشابه الديناميكي ضمني في افتراض رينولدز منخفضة (Re << 1) الذي يضمن استقرارا الصفحي تدفقات u(y,z). يتم تعيين هذه معلمتين من المعلمات التشابه التام بين الأجهزة موائع جزيئية والجداول من تجربتنا. في الممارسة العملية، طول الأنابيب المادية فقط بتقييد الأوقات نونديمينسيونال يمكن أن نصل بأمان مع الإعداد لدينا. لأوقات متأخرة جداً ثلاثي الأبعاد، يمكن أن يصبح طول الأنابيب اللازمة باهظة طويلة لعدد Péclet ثابتة في هذا الإعداد على نطاق واسع.
حد واضح لهذا البروتوكول التجريبي أن البيانات التي جمعت تمثيل 2D المتوقعة للهندسة ثلاثية الأبعاد كما يتم التقاط الصور من أعلى إلى أسفل في الأنابيب. العملية الحالية يسمح فقط للحصول على تطور توزيع صبغ كروسسيكتيونالي متوسط. الحصول على توزيع المعرفة في كل موقع في الأنبوب بدلاً عن المتوسط مستعرضة ومقارنة مع توقعات النظرية والعددية تخضع للبحوث الجارية.
جميع أجزاء برنامج الإعداد التجريبية قد الرسومات الفنية متوفرة للتنزيل الذي يجعل الإعداد يسهل الوصول إليها وقابلة للتخصيص بأي باحث المهتمة. وبناء على النتائج الحالية، ستستخدم نفس الإعداد لدراسة الهندسات الأنابيب أكثر تعقيداً وغير مستكشفة، فضلا عن نظم تدفق مختلفة.

في السنوات الأخيرة، تركزت جهود كبيرة على استحداث موائع جزيئية وأجهزة مختبر على رقاقة يمكن خفض التكاليف وزيادة الإنتاجية وإعداد المواد الكيميائية والتشخيص لمجموعة من التطبيقات. واحدة من السمات الرئيسية لأجهزة موائع جزيئية النقل يحركها ضغط السوائل وحلت الذوائب من خلال ميكروتشانيلس. وفي هذا السياق، أصبح متزايد الأهمية فهم أفضل للتسليم المراقب من الذوائب في عبارة. على وجه الخصوص، تتطلب التطبيقات مثل الفصل الكروماتوغرافي1،2 وموائع جزيئية تدفق حقن تحليل3،4 تحسين مراقبة وفهم لإيصال ذائبة. درس الباحثون في ميكروفلويديكس وتوثيق تأثير الشكل مستعرضة في القناة على المذاب نشر5،6،،من78، ودور القناة نسبة العرض إلى الارتفاع 9 , 10.
وقد تؤدي الدراسات التحليلية والعددية لنشر ذائبة على طول القنوات مؤخرا لتحديد علاقة بين هندسة أنابيب مستعرضة والشكل9،توزيع10. في فترات زمنية مبكرة، التوزيع يعتمد بشدة على الهندسة: أنابيب مستطيلة كسر التناظر على الفور تقريبا، بينما أنابيب البيضاوي الاحتفاظ بهم التناظر الأولية كثير أطول9. من ناحية أخرى، تتقدم إلى فترات زمنية أطول عدم التماثل في توزيع ذائبة لم يعد التفريق بين الحذف من المستطيلات، وتم تعيينها بواسطة λ مستعرضة نسبة العرض إلى الارتفاع (نسبة القصير إلى الطويل الجانب) فقط. إذ تضع في اعتبارها "أنابيب" المقاطع العرضية بيضاوي الشكل و "القنوات" المقاطع العرضية مستطيلة، تم قياسها التنبؤات من المحاكاة العددية وتحليل مقارب مع التجارب المعملية. رقيقة قنوات (نسبة العرض إلى الارتفاع << 1) تنتج الذوائب القادمين مع الجبهات حادا ومستدق ذيول، بينما قنوات سميكة (نسبة العرض إلى الارتفاع ~ 1) هذا السلوك المعاكس10. هذا تأثير قوي نسبيا غير حساسة للظروف الأولية ويمكن استخدامها للمساعدة في تحديد الشخصية ذائبة التوزيع المطلوب لأي تطبيق.
يحدث السلوك المبينة أعلاه لفرز رقيقة مقابل المجالات سميكة قبل التوصل إلى نظام "تشتت تايلور" الكلاسيكية. تشتت تايلور يشير إلى تعزيز انتشار الذوائب السلبي في التدفق الصفحي (مستقرة في انخفاض عدد رينولدز، Re) مع عزز فعالية الانتشارية، تناسبا عكسيا مع κ الانتشارية الجزيئية للمذاب11. ويلاحظ هذا التعزيز إلا بعد فترات زمنية طويلة، وانتشارية، عندما المذاب قد تنتشر عبر القناة. يتم تعريف مثل هذا المقياس الوقتى انتشارية من حيث حجم طول مميزة هندسة، تيد =/κ2. وعدد Péclet هو معلمة نونديمينسيونال الذي يقيس الأهمية النسبية التأفق السوائل إلى آثار نشرها. علينا أن نحدد هذه المعلمة من حيث حجم طول أقصر ك Pe = Ua/κ، حيث U هو سرعة تدفق المميزة. (يمكن تعريف عدد رينولدز من حيث عدد Péclet = إعادة Pe κ/ν، حيث هو ν اللزوجة الحركية للسائل). قيم رقم Péclet نموذجية ل التطبيقات موائع جزيئية12 تتفاوت بين 10 و 105، مع ديفوسيفيتيس الجزيئية تتراوح من 10-7 لسم-5 102/s. وبالتالي، ونظرا لسرعة تدفق وطول جداول للفائدة، فإنه أمر بالغ الأهمية لفهم سلوك الذوائب لفترات زمنية متوسطة إلى طويلة (بالنسبة لمقياس الوقت انتشارية)، كذلك في الماضي الملاحظات الأولية للسلوك يحركها الهندسة وإلى نظم تحركها إلى section المشتركة الشاملة لفئة كبيرة لهندستها.
نظراً للاهتمام بتطبيقات موائع جزيئية، اختيار واسعة النطاق قد الإعداد التجريبية في الأولى يبدو غير طبيعي. التجارب التي ذكرت هنا مقياس ملليمتر، ليس في عبارة كما هو الحال في أجهزة موائع جزيئية صحيحاً. ومع ذلك، السلوكيات المادية ذاتها تميز كلا النظامين ولا يزال يمكن أن يتحقق دراسة كمية من الظواهر ذات الصلة بالقياس بشكل صحيح في معادلات الحكم، تماما كما يتم تقييم مقياس نماذج من طائرة في أنفاق الرياح أثناء تصميم المرحلة. مطابقة المحددات نونديمينسيونال ذات الصلة (مثل عدد Péclet لتجربتنا) يضمن على وجه الخصوص، قدرة على التكيف بنموذج تجريبي. تعمل على هذه المستويات الأكبر، مع الحفاظ على تدفق الصفحي يحركها الضغط، يوفر العديد من المزايا على مدى إعداد microscale تقليدية. على وجه الخصوص، المعدات اللازمة لتصنيع وأداء، وتصور هذه التجارب أسهل للعمل وأقل تكلفة. وعلاوة على ذلك، تخفف أخرى التحديات المشتركة للعمل مع ميكروتشانيلس، مثل انسداد المتكررة وتعزيز تأثير الصناعات التحويلية التحمل، مع الإعداد الكبيرة. آخر ممكن لاستخدام هذا الإعداد التجريبية للدراسات المتعلقة بتوزيع الوقت الإقامة (RTD) في التدفقات الصفحي13.
يمكن تحليل الاختلالات الناشئة عن توزيع ذائبة المصب عبر لحظات الإحصائية؛ تخالفها، الذي يعرف بأنه لحظة الثالثة متوسط، وتطبيع، على وجه الخصوص، هو الإحصاء لا يتجزأ النظام أدنى قياس اللاتماثل لتوزيع. علامة التخالف عادة ما يشير إلى الشكل للتوزيع، و أي. إذا كان حزما (الانحراف السلبي) أو تحميلها مرة أخرى (الانحراف الإيجابي). التركيز على نسب القنوات، يوجد ارتباط واضح الهندسات رقيقة مع توزيعات حزما، وهندستها سميكة مع توزيعات العودة-تحميل10. بالإضافة إلى ذلك، يمكن حساب نسبة العرض إلى الارتفاع الحرج الذي يفصل هذه السلوكيات المعاكس اثنين لأنابيب البيضاوي ومجاري مستطيلة. وتتماثل هذه نسب كروس للهندسات القياسية، على وجه الخصوص، λ * = 0.49031 للأنابيب و λ * = 0.49038 للقنوات، توحي بالطابع العالمي ل نظرية10.
يتم استخدام الإعداد التجريبية والطريقة الموضحة في هذه الورقة لدراسة انتشار المذاب السلبي يحركها الضغط في الصفحي تدفقات السوائل خلال الشعيرات الدموية الزجاج مختلف المقاطع العرضية. بالبساطة وإمكانية تكرار نتائج التجربة يعرف طريقة قوية للتحليل لفهم العلاقة بين هندسية المقطع العرضي ممر بيانات، والشكل الناتج من توزيع حقن ذائبة كما ينقل المصب. وقد وضعت الطريقة التي تمت مناقشتها في هذا العمل سهولة قياس النتائج الرياضية والعددية في إعداد مختبر مادية.
ووصف إجراء تجريبي بسيط هو الذي يسلط الضوء على دور قاطع قناة فلويديك مقطعية-نسبة الارتفاع في تحديد شكل توزيع ذائبة باتجاه مجرى النهر. يتطلب برنامج الإعداد التجريبية مضخة حقنه القابلة لبرمجة لإنتاج تدفق مستمر الصفحي، أنابيب زجاجية مختلف المقاطع العرضية على نحو سلس، وحقنه ثانية مضخة حقن المذاب نشرها (على سبيل المثال. صبغ fluorescein) إلى التدفق الصفحي المحيطة بها، ومصابيح الأشعة فوق البنفسجية-أ وكاميرا لتسجيل تطور ذائبة. يتم توفير ملفات CAD لجميع أجزاء مخصصة للإعداد وهذه الملفات يمكن أن تستخدم لطباعة 3D التجريبية الأجزاء السابقة للجمعية العامة.

<table><tbody><tr><td>Flourescein Dye</td><td>Flinn Scientific&amp;nbsp;</td><td>LOT: 118362&amp;nbsp;&amp;nbsp;&amp;nbsp;&amp;nbsp;&amp;nbsp;&amp;nbsp; CAS NO: 518-47-8</td><td></td></tr><tr><td>PhD ULTRA Hpsi Syringe Pump</td><td>Harvard Apparatus</td><td>703111</td><td>programmable digital syringe pump</td></tr><tr><td>Compact Infusion Pump Model 975</td><td>Harvard Apparatus</td><td>55-1689</td><td></td></tr><tr><td>Form 2 SLA 3D Printer</td><td>Formlabs</td><td>100-240</td><td></td></tr><tr><td>Glass pipes</td><td>VitroCom</td><td>4410 and 8100</td><td></td></tr><tr><td>PTFE sealing tape</td><td>Teflon</td><td>4934A12</td><td></td></tr><tr><td>PVC tubing (1/8&quot; ID)</td><td>McMaster</td><td>5231K144</td><td>5 Foot Length</td></tr><tr><td>Reusable Stainless Steel Dispensing Needle 22 Gauge, .016&quot; ID, .028&quot; OD, 1/8&quot; NPT Thrd, 2&quot; Lg&amp;nbsp;</td><td>McMaster</td><td>7590A45&amp;nbsp;</td><td>1 Required</td></tr><tr><td>RTV silicone rubber sealant</td><td>McMaster</td><td>74945A69</td><td></td></tr><tr><td>Plastic Syringe Manual, w/ Luer Lock Connection, .34 oz Capacity, Packs of 10&amp;nbsp;</td><td>McMaster</td><td>7510A653&amp;nbsp;</td><td>1 required</td></tr><tr><td>Plastic Syringe Manual, w/ Luer Slip Connection, .034 oz Cap, Packs of 10&amp;nbsp;</td><td>McMaster</td><td>7510A603&amp;nbsp;</td><td>1 required</td></tr><tr><td>Plastic Syringe Manual, w/ Luer Lock Connection, 0.1 oz Capacity, Packs of 10&amp;nbsp;</td><td>McMaster</td><td>7510A651&amp;nbsp;</td><td>2 required</td></tr><tr><td>Plastic dispensing tip</td><td>McMaster</td><td>6699A1&amp;nbsp;</td><td>3 required</td></tr><tr><td>6&quot; C-Clamps</td><td>McMaster</td><td>5133A18</td><td>2 required</td></tr><tr><td>Type 18-8 Stainless Steel Flat Washer Number 6 Screw Size, 0.156&quot; ID, 0.312&quot; OD, Packs of 100&amp;nbsp;</td><td>McMaster</td><td>92141A008&amp;nbsp;</td><td>8 required</td></tr><tr><td>18-8 SS Pan Head Phillips Machine Screw 6-32 Thread, 2-1/4&quot; Length, Packs of 50&amp;nbsp;</td><td>McMaster</td><td>91772A167&amp;nbsp;</td><td>4 required</td></tr><tr><td>Oil-Resistant Buna-N Multipurpose O-Ring 1/16 Fractional Width, Dash Number 016, Packs of 100&amp;nbsp;</td><td>McMaster</td><td>9452K6&amp;nbsp;</td><td>3 required</td></tr><tr><td>Type 18-8 Stainless Steel Hex Nut 6-32 Thread Size, 5/16&quot; Wide, 7/64&quot; High, Packs of 100&amp;nbsp;</td><td>McMaster</td><td>91841A007&amp;nbsp;</td><td>4 required</td></tr><tr><td>18-8 SS Pan Head Phillips Machine Screw 6-32 Thread, 1/2&quot; Length, Packs of 100&amp;nbsp;</td><td>McMaster</td><td>91772A148&amp;nbsp;</td><td>4 required</td></tr><tr><td>24&quot; Black Light Fixture with bulb</td><td>American DJ</td><td>B0002F5544</td><td>2 required</td></tr><tr><td>DSLR camera&amp;nbsp;</td><td>Nikon&amp;nbsp;</td><td>D300</td><td></td></tr><tr><td>24-120 mm lens</td><td>Nikon</td><td>2193</td><td></td></tr><tr><td>Remote programmable trigger</td><td>Nikon</td><td>4917</td><td>remote programmable trigger</td></tr><tr><td>Memory Card</td><td>SanDisk&amp;nbsp;</td><td>SDCFX-032G-E61</td><td></td></tr><tr><td>Metric ruler</td><td>McMaster</td><td>20345A35</td><td></td></tr></tbody></table>

the diffusion of passive tracers in laminar shear flow

يتم وصف أسلوب بسيط تجريبيا مراقبة وقياس تشتت الراسم الكامن في تدفق السوائل الصفحي. تتألف الطريقة الأولى حقن صبغة الفلورسنت مباشرة في أنبوب مملوء بالماء المقطر والسماح بنشرها عبر المقطع العرضي للأنبوب للحصول على شرط أولية موزعة بانتظام. وعقب هذه الفترة، يتم تنشيط الاندفاق الصفحي بمضخة حقنه القابلة لبرمجة لمراقبة منافسة التأفق ونشرها للتتبع من خلال الأنبوب. يتم دراسة التفاوت في توزيع التتبع ويتم عرض الارتباطات بين مختلف قطاعات الأنابيب وشكل التوزيع: رقيقة قنوات (نسبة العرض إلى الارتفاع << 1) إنتاج مواد استشفاف القادمين مع الجبهات حادا ومستدق (ذيول ■ توزيعات)، في حين يقدم قنوات سميكة (نسبة الارتفاع ~ 1) السلوك المعاكس (توزيعات تحميلها مرة أخرى). الإجراء التجريبي الذي يتم تطبيقه على أنابيب شعرية من مختلف الهندسات وله أهمية خاصة للتطبيقات موائع جزيئية حسب تشابهها الديناميكية.

الإعداد التجريبية بعد الجمعية ويرد في الشكل 1. إظهار الصور المنتجة في MATLAB البيانات التجريبية أعلاه المجهزة تطور منحنى التركيز (الشكل 2) ثلاث مرات غير ثلاثي الأبعاد. علينا التحقق من أن هناك علاقة خطية بين الراسم كثافة وتركيز. شكل توزيع التغيرات بمرور الوقت وبلعه صبغ يتحرك المصب. ويبين الشكل 2 هذا التطور في حالة الهندسة لاصق مستطيلة رقيقة. توزيع الصبغة الأولية ضيقة ومتماثل (مثل غاوسي فيما يتعلق بالاتجاه الطولي وموحدة تقريبا في المقطع العرضي، الشكل 2 اليسار)، ولكن التماثل مكسورة وعلى الفور تقريبا كما أن يبدأ تدفق المعلومات الأساسية. التوزيع فواصل التماثل بعرض واجهة حاد وطويل مستدق ذيول (الشكل 2، الوسط واليمين).
النتائج التجريبية التي تؤكدها مونتي كارلو المحاكاة إجراء مطابقة معدل التوزيع وتدفق الأولية (الشكل 3). قيمة تركيب κ الانتشارية صبغ العزم في تجربة مستقلة (الخطوة 2.4 في البروتوكول) والمستخدمة في هذه المقارنة. غالباً ما تستخدم أساليب مونتي كارلو لمحاكاة تطور التأفق-نشر المشاكل التي تشمل مجمع الهندسيات شروط الحدود (نويمان متجانسة في هذه الحالة) يمكن أن يكون ببساطة مدخلات كالبلياردو مثل قواعد التفكير. والنهج المدركات عينة من المعادلة التفاضلية العشوائية يعادل الكامنة وراء المعادلة التأفق-نشر في شكل نونديمينسيونال:
<img alt="Equation 1" src="/files/ftp_upload/57205/57205eq1v2.jpg">
T(x,y,z,t) هو توزيع الراسم، τ الوقت نونديمينسيونال تطبيع تيد، x هو اﻻحداثي المكاني طولية، y هو تنسيق عرضية قصيرة، حيث z هو إحداثي عرضية طويلة، تم تسويتها جميعا بالجانب القصير. U(y,z) تدفق السائل هو حل الحالة المستقرة الصفحي إلى معادلات نافيير-ستوكس مع كشف لا شروط الحدود (لا التدفق في الجدار)، مدفوعا بتدرج ضغط سلبي. يمكن الحصول على بيانات أولية ضبابي في الاتجاه الطولي الأنابيب مع تباين المرجوة بالنظر فقط نشر (Pe = 0) وتطور الجزيئات للوقت المطلوب لمطابقة عرض البيانات الأولية التجريبية9،10 . وتحققت هذه النتائج ممثلة باستخدام معدل تدفق القيم المحددة في البروتوكول، ولكن نحن نتوقع ظواهر التحميل ولاحظ أن تعقد بصورة عامة ل النظام الصفحي10 (الشكل 3).
<img alt="Figure 1" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/57205/57205fig1.jpg"> الشكل 1 : برنامج الإعداد التجريبية. (أ) رسم تخطيطي للإعداد التجريبية. وقد تم تعديل هذا الرقم من أمينيانوآخرون. 10-(ب) عرض الإعداد الفعلية. <a href="https://cloudflare-jove-com.bdigitaluss.remotexs.co/files/ftp_upload/57205/57205fig1large.jpg" target="_blank">الرجاء انقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم-</a>
<img alt="Figure 2" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/57205/57205fig2.jpg"> الشكل 2 : لقطات بيانات المجهزة في أوقات مختلفة- الصف العلوي: صور تركيز صبغ منتشرة على طول المقطع العرضي للأنبوب لاحظ عادة في اتجاه طويلة مستعرضة في زيادة مرات ثلاثي الأبعاد. وقد تم تحجيم المحور العمودي 5 مرات توخياً للوضوح. أسفل: تحسب كثافة تركيز صبغ الجمع على طول اتجاه مقطعية طويلة. هو تطبيع قيمة الذروة. <a href="https://cloudflare-jove-com.bdigitaluss.remotexs.co/files/ftp_upload/57205/57205fig2large.jpg" target="_blank">الرجاء انقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم-</a>
<img alt="Figure 3" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/57205/57205fig3.jpg"> الشكل 3 : مقارنة لتوزيع تركيز بين مونتي كارلو المحاكاة والتجارب- يظهر تطور تركيز صبغ كروسسيكتيونالي متوسط طول الأنابيب الطولية في إينستانتس اثنين في الوقت المناسب: τ = 0.15 و τ = 0.30. خطوط متقطعة هي نتائج المحاكاة، بينما تمثل الخطوط الصلبة البيانات التجريبية. الأعلى: مقارنة في القناة (مربعة) سميكة؛ أسفل: مقارنة في القناة (مستطيل) رقيقة. هو تطبيع المنطقة تحت المنحنى كل واحدة و x = 0 يناظر وسط المكونات الأولية لصبغ. وقد تم تعديل هذا الرقم من أمينيانوآخرون. 10- <a href="https://cloudflare-jove-com.bdigitaluss.remotexs.co/files/ftp_upload/57205/57205fig3large.jpg" target="_blank">الرجاء انقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم-</a>
ملف تكميلي 1 . إدراج رسومات CAD من 3موصل سداسية د (<a href="https://cloudflare-jove-com.bdigitaluss.remotexs.co/files/ftp_upload/57205/hex_connector_3D.STL" target="_blank">hex_connector_3D.STL</a>)
ملف تكميلي 2 . إدراج رسومات CAD 3D حاقن وظيفة (<a href="https://cloudflare-jove-com.bdigitaluss.remotexs.co/files/ftp_upload/57205/injector_post_3D.STL" target="_blank">injector_post_3D.STL</a>)
ملف تكميلي 3 . إدراج رسومات CAD الخزان ثلاثية الأبعاد (<a href="https://cloudflare-jove-com.bdigitaluss.remotexs.co/files/ftp_upload/57205/reservoir_3D.STL" target="_blank">reservoir_3D.STL</a>)
ملف تكميلي 4 . إدراج رسومات CAD 3D ألواح الأنابيب سميكة (<a href="https://cloudflare-jove-com.bdigitaluss.remotexs.co/files/ftp_upload/57205/plate_thick_3D.STL" target="_blank">plate_thick_3D.STL</a>)
ملف تكميلي 5 . إدراج رسومات CAD 3D ألواح الأنابيب رقيقة (<a href="https://cloudflare-jove-com.bdigitaluss.remotexs.co/files/ftp_upload/57205/plate_thin_3D.STL" target="_blank">plate_thin_3D.STL</a>)

Watch this Scientific Journal Video about The Diffusion of Passive Tracers in Laminar Shear Flow at JoVE.com

The Diffusion of Passive Tracers in Laminar Shear Flow

ويرد على بروتوكول لدراسة نشر تتبع الكامن في التدفق الصفحي يحركها الضغط. هذا الإجراء ينطبق على مختلف الأنابيب الشعرية هندستها.

نشر تتبع الكامن في التدفق الصفحي القص

A simple method to experimentally observe and measure the dispersion of a passive tracer in a laminar fluid flow is described. The method consists of ...

the-diffusion-of-passive-tracers-in-laminar-shear-flow

Universidad San Sebastian

Education

Research

JoVE Core

JoVE Journal

Engineering

Mechanical Engineering

Anatomy and Physiology

Civil Engineering

Unit 1

Cell Membrane Structure and Functions

Shearing Stresses in Beams and Thin-Walled Members

Open Channel Flow

SCIENTISTS IN ACTION

8.4K Views.  University of North Carolina at Chapel Hill. ويرد على بروتوكول لدراسة نشر تتبع الكامن في التدفق الصفحي يحركها الضغط. هذا الإجراء ينطبق على مختلف الأنابيب الشعرية هندستها.

Video: The Diffusion of Passive Tracers in Laminar Shear Flow

Confocal Imaging of Confined Quiescent and Flowing Colloid-polymer Mixtures

The behavior of confined colloidal suspensions with attractive interparticle interactions is critical to the rational design of materials for directed assembly1-3, drug delivery4, improved hydrocarbon recovery5-7, and flowable electrodes for energy storage8. Suspensions containing fluorescent colloids and non-adsorbing polymers are appealing model systems, as the ratio of the polymer radius of gyration to the particle radius&#160;and concentration of polymer control the range and strength of the interparticle attraction, respectively. By tuning the polymer properties and the volume fraction of the colloids, colloid fluids, fluids of clusters, gels, crystals, and glasses can be obtained9.&#160;Confocal microscopy, a variant of fluorescence microscopy, allows an optically transparent and fluorescent sample to be imaged with high spatial and temporal resolution in three dimensions. In this technique, a small pinhole or slit blocks the emitted fluorescent light from regions of the sample that are outside the focal volume of the microscope optical system. As a result, only a thin section of the sample in the focal plane is imaged. This technique is particularly well suited to probe the structure and dynamics in dense colloidal suspensions at the single-particle scale: the particles are large enough to be resolved using visible light and diffuse slowly enough to be captured at typical scan speeds of commercial confocal systems10. Improvements in scan speeds and analysis algorithms have also enabled quantitative confocal imaging of flowing suspensions11-16,37.&#160;In this paper, we demonstrate confocal microscopy experiments to probe the confined phase behavior and flow properties of colloid-polymer mixtures. We first prepare colloid-polymer mixtures that are density- and refractive-index matched. Next, we report a standard protocol for imaging quiescent dense colloid-polymer mixtures under varying confinement in thin wedge-shaped cells. Finally, we demonstrate a protocol for imaging colloid-polymer mixtures during microchannel flow.

Confocal microscopy is used to image quiescent and flowing colloid-polymer mixtures, which are studied as model systems for attractive suspensions. Image analysis algorithms are used to calculate structural and dynamic metrics for the colloidal particles that measure changes due to geometric confinement.

التصوير متحد البؤر المحصورة من هادئة ويتدفق مخاليط البوليمر المادة الغروية

The behavior of confined colloidal suspensions with attractive interparticle interactions is critical to the rational design of materials for directed ...

Chemistry

Parallel-plate Flow Chamber and Continuous Flow Circuit to Evaluate Endothelial Progenitor Cells under Laminar Flow Shear Stress

The overall goal of this method is to describe a technique to subject adherent cells to laminar flow conditions and evaluate their response to well quantifiable fluid shear stresses1.
Our flow chamber design and flow circuit (Fig. 1) contains a transparent viewing region that enables testing of cell adhesion and imaging of cell morphology immediately before flow (Fig. 11A, B), at various time points during flow (Fig. 11C), and after flow (Fig. 11D). These experiments are illustrated with human umbilical cord blood-derived endothelial progenitor cells (EPCs) and porcine EPCs2,3.
This method is also applicable to other adherent cell types, e.g. smooth muscle cells (SMCs) or fibroblasts.
The chamber and all parts of the circuit are easily sterilized with steam autoclaving. In contrast to other chambers, e.g. microfluidic chambers, large numbers of cells (&gt; 1 million depending on cell size) can be recovered after the flow experiment under sterile conditions for cell culture or other experiments, e.g. DNA or RNA extraction, or immunohistochemistry (Fig. 11E), or scanning electron microscopy5. The shear stress can be adjusted by varying the flow rate of the perfusate, the fluid viscosity, or the channel height and width. The latter can reduce fluid volume or cell needs while ensuring that one-dimensional flow is maintained. It is not necessary to measure chamber height between experiments, since the chamber height does not depend on the use of gaskets, which greatly increases the ease of multiple experiments. Furthermore, the circuit design easily enables the collection of perfusate samples for analysis and/or quantification of metabolites secreted by cells under fluid shear stress exposure, e.g. nitric oxide (Fig. 12)6.

We are describing a method to subject adherent cells to laminar flow shear stress in a sterile continuous flow circuit. The cells' adhesion, morphology can be studied through the transparent chamber, samples obtained from the circuit for metabolite analysis and cells harvested after shear exposure for future experiments or culture.

موازية لوحة الدائرة التدفق المستمر وحلبة لتقييم تدفق الخلايا الاصلية تحت تدفق رقائقي غشائي إجهاد القص

The overall goal of this method is to describe a technique to subject adherent cells to laminar flow conditions and evaluate their response to well ...

Bioengineering

In Situ Monitoring of Diffusion of Guest Molecules in Porous Media Using Electron Paramagnetic Resonance Imaging

A method is demonstrated to monitor macroscopic translational diffusion using electron paramagnetic resonance (EPR) imaging. A host-guest system with nitroxide spin probe 3-(2-Iodoacetamido)-2,2,5,5-tetramethyl-1-pyrrolidinyloxy (IPSL) as a guest inside the periodic mesoporous organosilica (PMO) aerogel UKON1-GEL as a host and ethanol as a solvent is used as an example to describe the protocol. Data is shown from a previous publication, where the protocol has been applied to both IPSL and Tris(8-carboxy-2,2,6,6-perdeutero-tetramethyl-benzo[1,2-d:4,5-d&#8242;]bis(1,3)dithiole) methyl (Trityl) as guest molecules and UKON1-GEL and SILICA-GEL as host systems. 
A method is shown to prepare aerogel samples that cannot be synthesized directly in the sample tube for measurement due to a size change during synthesis. The aerogel is attached to sample tubes using heat shrink tubing and a pressure cooker to reach the necessary temperature without evaporating the solvent in the process. The method does not assume a clearly defined initial distribution of guest molecules at the start of the measurement. Instead, it requires a reservoir on top of the aerogel and experimentally determines the influx rate during data analysis.
The diffusion is monitored continually over a period of 20 hr by recording the 1d spin density profile within the sample. The spectrometer settings for the imaging experiment are described quantitatively. Data analysis software is provided to take the resonator sensitivity profile into account and to numerically solve the diffusion equation. The software determines the macroscopic translational diffusion coefficient by least square minimization of the difference between the experiment and the numerical solution of the diffusion equation.

In Situ Monitoring of Diffusion of Guest Molecules in Porous Media Using Electron Paramagnetic Resonance Imaging

A protocol for the in situ monitoring of the diffusion of guest molecules in porous media using electron paramagnetic resonance (EPR) imaging is presented.

في الموقع رصد إنتشار ضيف الجزيئات في الأوساط المسامية باستخدام الكترون ممغطس التصوير بالرنين

A method is demonstrated to monitor macroscopic translational diffusion using electron paramagnetic resonance (EPR) imaging. A host-guest system with ...

Visually Based Characterization of the Incipient Particle Motion in Regular Substrates: From Laminar to Turbulent Conditions

Two different experimental methods for determining the threshold of particle motion as a function of geometrical properties of the bed from laminar to turbulent flow conditions are presented. For that purpose, the incipient motion of a single bead is studied on regular substrates that consist of a monolayer of fixed spheres of uniform size that are regularly arranged in triangular and quadratic symmetries. The threshold is characterized by the critical Shields number. The criterion for the onset of motion is defined as the displacement from the original equilibrium position to the neighboring one. The displacement and the mode of motion are identified with an imaging system. The laminar flow is induced using a rotational rheometer with a parallel disk configuration. The shear Reynolds number remains below 1. The turbulent flow is induced in a low-speed wind tunnel with open jet test section. The air velocity is regulated with a frequency converter on the blower fan. The velocity profile is measured with a hot wire probe connected to a hot film anemometer. The shear Reynolds number ranges between 40 and 150. The logarithmic velocity law and the modified wall law presented by Rotta are used to infer the shear velocity from the experimental data. The latter is of special interest when the mobile bead is partially exposed to the turbulent flow in the so-called hydraulically transitional flow regime. The shear stress is estimated at onset of motion. Some illustrative results showing the strong impact of the angle of repose, and the exposure of the bead to shear flow are represented in both regimes.

Two different methods for characterizing the incipient particle motion of a single bead as a function of the sediment bed geometry from laminar to turbulent flow are presented.

بصريا على أساس توصيف الحركة الجسيمات الأولية في ركائز العادية: من الصفحي الظروف المضطربة

Two different experimental methods for determining the threshold of particle motion as a function of geometrical properties of the bed from laminar to ...

A Permanent Window for Investigating Cancer Metastasis to the Lung

Metastasis, accounting for ~90% of cancer-related mortality, involves the systemic spread of cancer cells from primary tumors to secondary sites such as the bone, brain, and lung. Although extensively studied, the mechanistic details of this process remain poorly understood. While common imaging modalities, including computed tomography (CT), positron emission tomography (PET), and magnetic resonance imaging (MRI), offer varying degrees of gross visualization, each lacks the temporal and spatial resolution necessary to detect the dynamics of individual tumor cells. To address this, numerous techniques have been described for intravital imaging of common metastatic sites. Of these sites, the lung has proven especially challenging to access for intravital imaging owing to its delicacy and critical role in sustaining life. Although several approaches have previously been described for single-cell intravital imaging of the intact lung, all involve highly invasive and terminal procedures, limiting the maximum possible imaging duration to 6-12 h. Described here is an improved technique for the permanent implantation of a minimally invasive thoracic optical Window for High-Resolution Imaging of the Lung (WHRIL). Combined with an adapted approach to microcartography, the innovative optical window facilitates serial intravital imaging of the intact lung at single-cell resolution across multiple imaging sessions and spanning multiple weeks. Given the unprecedented duration of time over which imaging data can be gathered, the WHRIL can facilitate the accelerated discovery of the dynamic mechanisms underlying metastatic progression and numerous additional biologic processes within the lung.

Here, we present a protocol for the surgical implantation of a permanently indwelling optical window for the murine thorax, which enables high-resolution, intravital imaging of the lung. The permanence of the window makes it well-suited to the study of dynamic cellular processes in the lung, especially those that are slowly evolving, such as metastatic progression of disseminated tumor cells.

نافذة دائمة للتحقيق في انتشار السرطان إلى الرئة

Metastasis, accounting for ~90% of cancer-related mortality, involves the systemic spread of cancer cells from primary tumors to secondary sites such as ...

Cancer Research

Analyzing Mixing Inhomogeneity in a Microfluidic Device by Microscale Schlieren Technique

In this paper, we introduce the use of microscale schlieren technique to measure mixing inhomogeneity in a microfluidic device. The microscale schlieren system is constructed from a Hoffman modulation contrast microscope, which provides easy access to the rear focal plane of the objective lens, by removing the slit plate and replacing the modulator with a knife-edge. The working principle of microscale schlieren technique relies on detecting light deflection caused by variation of refractive index1-3. The deflected light either escapes or is obstructed by the knife-edge to produce a bright or a dark band, respectively. If the refractive index of the mixture varies linearly with its composition, the local change in light intensity in the image plane is proportional to the concentration gradient normal to the optical axis. The micro-schlieren image gives a two-dimensional projection of the disturbed light produced by three-dimensional inhomogeneity.
To accomplish quantitative analysis, we describe a calibration procedure that mixes two fluids in a T-microchannel. We carry out a numerical simulation to obtain the concentration gradient in the T-microchannel that correlates closely with the corresponding micro-schlieren image. By comparison, a relationship between the grayscale readouts of the micro-schlieren image and the concentration gradients presented in a microfluidic device is established. Using this relationship, we are able to analyze the mixing inhomogeneity from associate micro-schlieren image and demonstrate the capability of microscale schlieren technique with measurements in a microfluidic oscillator4. For optically transparent fluids, microscale schlieren technique is an attractive diagnostic tool to provide instantaneous full-field information that retains the three-dimensional features of the mixing process.

Herein, we describe a procedure that employs microscale schlieren technique to measure mixing inhomogeneity in a microfluidic device. Through calibration, distribution of concentration gradient can be derived from the micro-schlieren image.

تحليل خلط التجانس في جهاز ميكروفلويديك التي كتبها الميكروسكيل انعراجي تقنية

In this paper, we introduce the use of microscale schlieren technique to measure mixing inhomogeneity in a microfluidic device. The microscale schlieren ...

Fluorescence Recovery after Merging a Droplet to Measure the Two-dimensional Diffusion of a Phospholipid Monolayer

We introduce a new method to measure the lateral diffusivity of a surfactant monolayer at the fluid-fluid interface, called fluorescence recovery after merging (FRAM). FRAM adopts the same principles as the fluorescence recovery after photobleaching (FRAP) technique, especially for measuring fluorescence recovery after bleaching a specific area, but FRAM uses a drop coalescence instead of photobleaching dye molecules to induce a chemical potential gradient of dye molecules. Our technique has several advantages over FRAP: it only requires a fluorescence microscope rather than a confocal microscope equipped with high power lasers; it is essentially free from the selection of fluorescence dyes; and it has far more freedom to define the measured diffusion area. Furthermore, FRAM potentially provides a route for studying the mixing or inter-diffusion of two different surfactants, when the monolayers at a surface of droplet and at a flat air/water interface are prepared with different species, independently.

We present a new technique to measure the lateral diffusion of a surface active species at the fluid-fluid interface by merging a droplet monolayer onto a flat monolayer.

مضان الانتعاش بعد دمج قطرات لقياس انتشار ثنائي الأبعاد من الفوسفوليبيدية واحد رقائق

We introduce a new method to measure the lateral diffusivity of a surfactant monolayer at the fluid-fluid interface, called fluorescence recovery after ...

Controlling Flow Speeds of Microtubule-Based 3D Active Fluids Using Temperature

We present a method for using temperature to tune the flow speeds of kinesin-driven, microtubule-based three-dimensional (3D) active fluids. This method allows for tuning the speeds in situ without the need to manufacture new samples to reach different desired speeds. Moreover, this method enables the dynamic control of speed. Cycling the temperature leads the fluids to flow fast and slow, periodically. This controllability is based on the Arrhenius characteristic of the kinesin-microtubule reaction, demonstrating a controlled mean flow speed range of 4&#8211;8 &#181;m/s. The presented method will open the door to the design of microfluidic devices where the flow rates in the channel are locally tunable without the need for a valve.

The goal of this protocol is to use temperature to control the flow speeds of three-dimensional active fluids. The advantage of this method not only allows for regulating flow speeds in situ but also enables dynamic control, such as periodically tuning flow speeds up and down.

التحكم في سرعات تدفق السوائل النشطة ثلاثية الابعاد المستندة إلى Microtubule باستخدام درجه الحرارة

We present a method for using temperature to tune the flow speeds of kinesin-driven, microtubule-based three-dimensional (3D) active fluids. This method ...

Quantifying Mixing using Magnetic Resonance Imaging

Mixing is a unit operation that combines two or more components into a homogeneous mixture. This work involves mixing two viscous liquid streams using an in-line static mixer. The mixer is a split-and-recombine design that employs shear and extensional flow to increase the interfacial contact between the components. A prototype split-and-recombine (SAR) mixer was constructed by aligning a series of thin laser-cut Poly (methyl methacrylate) (PMMA) plates held in place in a PVC pipe. Mixing in this device is illustrated in the photograph in Fig. 1. Red dye was added to a portion of the test fluid and used as the minor component being mixed into the major (undyed) component. At the inlet of the mixer, the injected layer of tracer fluid is split into two layers as it flows through the mixing section. On each subsequent mixing section, the number of horizontal layers is duplicated. Ultimately, the single stream of dye is uniformly dispersed throughout the cross section of the device.
 Using a non-Newtonian test fluid of 0.2% Carbopol and a doped tracer fluid of similar composition, mixing in the unit is visualized using magnetic resonance imaging (MRI). MRI is a very powerful experimental probe of molecular chemical and physical environment as well as sample structure on the length scales from microns to centimeters. This sensitivity has resulted in broad application of these techniques to characterize physical, chemical and/or biological properties of materials ranging from humans to foods to porous media 1, 2. The equipment and conditions used here are suitable for imaging liquids containing substantial amounts of NMR mobile 1H such as ordinary water and organic liquids including oils. Traditionally MRI has utilized super conducting magnets which are not suitable for industrial environments and not portable within a laboratory (Fig. 2). Recent advances in magnet technology have permitted the construction of large volume industrially compatible magnets suitable for imaging process flows. Here, MRI provides spatially resolved component concentrations at different axial locations during the mixing process. This work documents real-time mixing of highly viscous fluids via distributive mixing with an application to personal care products.

Magnetic resonance imaging (MRI) provides a powerful tool to evaluate the effectiveness of process equipment during operation. We discuss the use of MRI to visualize mixing in a static mixer. The application is relevant to personal care products, but can be applied to a broad range of food, chemical, biomass and biological fluids.

خلط الكمي باستخدام التصوير بالرنين المغناطيسي

Mixing is a unit operation that combines two or more components into a homogeneous mixture.  This work involves mixing two viscous liquid streams using an ...

Biology

Surface Dye Flow Visualization: A Qualitative Method to Observe Streakline Patterns in Supersonic Flow

Flow visualization around or on a body is an important tool in aerodynamics research. It provides a method to qualitatively and quantitatively study flow structure, and it also helps researchers theorize and verify fluid flow behavior. Flow visualization can be divided into two categories: off-the-surface visualization and surface flow visualization. Off-the-surface flow visualization techniques involve determining the flow characteristics around the body of interest. They include but are not restricted to particle image velocimetry (PIV), Schlieren imaging, and smoke flow visualization. These techniques can provide qualitative as well as quantitative data on the flow around a body. However, these techniques are generally expensive and difficult to set-up. Surface flow visualization techniques, on the other hand, involve coating the body of interest with a dye to study flow on the surface. These techniques, which are more invasive in practice, include dye flow visualization and, more recently, use pressure-sensitive paint, which gives a detailed image of the flow on the body&#39;s surface. This allows researchers to visualize different flow features, including laminar bubbles, boundary layer transitions, and flow separation. Dye flow visualization, the technique of interest in the current experiment, provides a qualitative picture of the surface flow and is one of the simplest and most cost-effective surface flow visualization methods, specifically for visualizing gaseous flows on a body.
In this experiment, the surface flow behavior on six bodies are studied in supersonic flow. The streakline patterns are obtained using the dye flow visualization technique, and the flow paths, degree of flow attachment and separation, and location and type of shocks are identified and studied from the flow images.

Surface Dye Flow: Streakline Patterns in Supersonic Flow

Flow visualization around or on a body is an important tool in aerodynamics research. It provides a method to qualitatively and quantitatively study flow ...