RU2294541C1 - Способ определения скорости термокапиллярного течения у боковой поверхности шайбовидного пузырька - Google Patents
Способ определения скорости термокапиллярного течения у боковой поверхности шайбовидного пузырька Download PDFInfo
- Publication number
- RU2294541C1 RU2294541C1 RU2005115612/28A RU2005115612A RU2294541C1 RU 2294541 C1 RU2294541 C1 RU 2294541C1 RU 2005115612/28 A RU2005115612/28 A RU 2005115612/28A RU 2005115612 A RU2005115612 A RU 2005115612A RU 2294541 C1 RU2294541 C1 RU 2294541C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- flow
- bubble
- curvature
- thermo
- washer
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Investigating Or Analyzing Materials Using Thermal Means (AREA)
- Indicating Or Recording The Presence, Absence, Or Direction Of Movement (AREA)
Abstract
Изобретение может быть использовано для диагностики течения жидкостей в канале микрофлуидного насоса или оптического переключателя. Термокапиллярное течение возбуждают пучком света. Измеряют статическую кривизну и суммарную кривизну наблюдаемой визуально боковой поверхности шайбовидного пузырька, деформация которой вызвана термокапиллярным течением. По результатам измерения находят скорость этого течения. Изобретение обеспечивает упрощение диагностики течения в микромасштабе. 3 ил., 1 табл.
Description
Изобретение относится к области бесконтактных методов диагностики течения жидкостей в микромасштабе и может быть использовано для определения скорости течения у поверхности пузырька, движущегося в канале микрофлуидного насоса или оптического переключателя [1-2].
Известен способ [3] измерения скорости течения жидкости, состоящий в следующем: жидкий поток засевают трассерными частицами меченными флюоресцирующим красителем, затем поперечное сечение потока облучают последовательными импульсами лазерного света сфокусированного цилиндрической линзой в лист и, одновременно с подачей импульсов, выполняют видеозахват изображений. Далее, на основе этих изображений, с помощью компьютерной программы фиксируют положение выбранной частицы на последовательности кадров и измеряют ее смещение за период между двумя импульсами, затем вычисляют скорость.
Однако в микрофлуидике этот метод имеет ряд недостатков. Выбор трассерных частиц критичен для каждого изучаемого случая. С одной стороны, частицы должны быть достаточно малыми, чтобы отслеживать линии тока и не блокировать течение, а с другой стороны - достаточно большими, чтобы демпфировать броуновское движение, которое вносит погрешность в измерения скорости. Кроме того, сложный алгоритм обработки данных требует специализированной компьютерной программы.
При диагностике течения индуцируемого малыми (до 10°С) локальными тепловыми возмущениями (например, конвекция в микромасштабе вызванная тепловым действием пучка света [1, 4]), применение этого способа налагает ограничения на выбор длины волны индуцирующего излучения, которое не должно нагревать трассерные частицы и интерферировать на них.
Целью данного изобретения является упрощение способа определения скорости термокапиллярного течения у поверхности шайбовидного пузырька.
Цель достигается путем измерения статической кривизны и суммарной кривизны наблюдаемой визуально боковой поверхности пузырька, деформация которой вызвана термокапиллярным течением индуцированным пучком света. При этом суммарная кривизна наблюдаемой визуально деформированной поверхности пузырька находится согласно принципу суперпозиции кривизн [5, 6].
Детальный механизм формирования суммарной кривизны (Фиг.1) и вывод выражения для скорости следующие. Боковая поверхность шайбовидного пузырька 1, зажатого между двумя прозрачными для излучения пластинами 2 имеет постоянную статическую кривизну χS, Фиг.1(а). В момент, когда прилегающая к боковой поверхности пузырька 1, поглощающая жидкость 3 нагревается пучком света 4, Фиг.1(б), поверхностное натяжение на поверхности пузырька уменьшается, и возникает поле термокапиллярных сил 5, вызывающих унос жидкости из зоны облучения. Вследствие этого боковая поверхность пузырька приобретает динамическую кривизну χd, которая складывается по принципу суперпозиции [5, 6] с кривизной χS до облучения. В итоге, визуально наблюдаемая деформация 6 боковой поверхности пузырька 1 имеет суммарную кривизну [6]
Динамическая кривизна χd создает избыточное капиллярное давление в пузырьке pσ=σ·χd и возвратные потоки жидкости с динамическим напором pi=ρu2/2, генерирующие два согласованных вихря 7 в жидкости [4]. Здесь u - искомая скорость термокапиллярного течения у поверхности шайбовидного пузырька, которая из условия баланса этих давлений и принципа суперпозиции (1) имеет вид
плотность ρ жидкости и ее коэффициент поверхностного натяжения σ являются табличными величинами.
Далее, скорость u термокапиллярного течения находят по результату измерения суммарной кривизны χ боковой поверхности пузырька и ее статической кривизны χS Фиг.1(а).
На Фиг.2 показана схема измерения кривизны χ. Используя снимок деформированного пузырька, полученный фотографированием или видеосъемкой, и считая, что деформированная поверхность 6 представляет собой участок некой окружности 8, в любом графическом редакторе достраивают эту окружность и измеряют радиус ее кривизны R=χ-1. Зная статическую кривизну пузырька χS=RS -1, по формуле (2) вычисляют скорость термокапиллярного течения u.
На Фиг.3 приведены кадры пузырьков: (а) - пучок света спроецирован в смачивающую пленку под пузырьком и не оказывает теплового действия на боковую поверхность; (б) - пучок света нагревает приповерхностную область пузырька, что вызывает термокапиллярное течение, которое деформирует боковую поверхность пузырька. Здесь измерение кривизн проводили в редакторе MSWord, куда вставляли эти кадры и с помощью инструмента WordArt достраивали окружность и измеряли ее кривизну.
Пример. В таблице даны средние значения скорости термокапиллярного течения в разных жидкостях, возбуждаемого пучком света у поверхности пузырьков, полученные предлагаемым способом.
| Ацетон | Этанол | Бутанол | 10% этанольно-водная смесь | |
| u, мм/с | 250 | 160 | 180 | 142 |
В опытах использовали пузырьки с RS от 0.4 до 0.6 мм, зажатые в ячейке с зазором 50 мкм, заполняемой окрашенными жидкостями, которые облучали сфокусированным излучением ртутной лампы. Поглощаемая мощность жидкостей была одинаковой и равной 30 мВт.
Разница между значениями, полученными по предлагаемому способу и оцененными с помощью трассерных частиц, составляет менее 15%.
Таким образом, предлагаемый способ, отличаясь простотой, имеет ряд преимуществ: не требует засева трассерных частиц, дополнительных зондирующих пучков и оптики для них, а также не требует программного обеспечения для расчета скорости.
Способ можно использовать для определения скорости термокапиллярных течений, вызванных не только локальным действием пучка света на поверхность пузырька, но и за счет локального нагрева этой поверхности резистивными нагревателями. В этом случае необходимо лишь подсвечивать пузырек рассеянным светом.
ЛИТЕРАТУРА
1. Sato M., Horie M., Kitano N. et. al. Thermocapillary optical switch. // Hitachi Cable Review. 2001. №.20. P.19-24.
2. Jun Т.К., Kim C.-J. Valveless pumping using traversing vapor bubbles in microchannels. // J. Applied Physics. 1998. Vol.83. №.11. P.5658-5664.
3. URL: http://www.lavison.de/download/educational/pivintroduction.pdf
4. Безуглый Б.А., Иванова Н.А. Манипуляция газовым пузырьком в ячейке Хеле-Шоу с помощью пучка света. // Письма в ЖТФ. 2002. Том. 28. Вып.19. С.71-75.
5. Безуглый Б.А., Тарасов О.А., Федорец А.А. Модифицированный метод наклонной пластинки измерения краевого угла смачивания. // Коллоидный журнал. 2001. №6. С.735-741.
6. Тарасов О.А. Аддитивность динамической кривизны термокапиллярного углубления и статической кривизны мениска смачивания. // Коллоидный журнал. 2005. Т.67. №2. С.1-9.
Claims (1)
- Способ определения скорости термокапиллярного течения у боковой поверхности шайбовидного пузырька, причем термокапиллярное течение возбуждают пучком света, отличающийся тем, что измеряют статическую кривизну и суммарную кривизну наблюдаемой визуально боковой поверхности пузырька, деформация которой вызвана термокапиллярным течением, и по результатам измерения находят скорость этого течения.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2005115612/28A RU2294541C1 (ru) | 2005-05-23 | 2005-05-23 | Способ определения скорости термокапиллярного течения у боковой поверхности шайбовидного пузырька |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2005115612/28A RU2294541C1 (ru) | 2005-05-23 | 2005-05-23 | Способ определения скорости термокапиллярного течения у боковой поверхности шайбовидного пузырька |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2005115612A RU2005115612A (ru) | 2006-11-27 |
| RU2294541C1 true RU2294541C1 (ru) | 2007-02-27 |
Family
ID=37664243
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2005115612/28A RU2294541C1 (ru) | 2005-05-23 | 2005-05-23 | Способ определения скорости термокапиллярного течения у боковой поверхности шайбовидного пузырька |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2294541C1 (ru) |
-
2005
- 2005-05-23 RU RU2005115612/28A patent/RU2294541C1/ru not_active IP Right Cessation
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| Письма в ЖТФ. 2002, том. 28, вып.19, сс.71-72. Коллоидный журнал, 2001, №6, сс.735-741. J. Applied Physics. 1998, vol.83, №.11, pp.5658-5664. Кремлевский П.П. Расходомеры и счетчики количества. Справочник. Изд.4. - Л.: Машиностроение, 1989, сс.617-621. * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| RU2005115612A (ru) | 2006-11-27 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| LeClair et al. | A theoretical and experimental study of the internal circulation in water drops falling at terminal velocity in air | |
| Williams et al. | Advances and applications on microfluidic velocimetry techniques | |
| Kumar et al. | 3D3C velocimetry measurements of an electrothermal microvortex using wavefront deformation PTV and a single camera | |
| Bouche et al. | Mixing in a swarm of bubbles rising in a confined cell measured by mean of PLIF with two different dyes | |
| Gulati et al. | Direct measurements of viscoelastic flows of DNA in a 2: 1 abrupt planar micro-contraction | |
| Kazoe et al. | Evanescent wave-based particle tracking velocimetry for nanochannel flows | |
| Wang et al. | Microelectrokinetic turbulence in microfluidics at low Reynolds number | |
| Rivière et al. | Convection flows driven by laser heating of a liquid layer | |
| Meinhart et al. | Micron-resolution velocimetry techniques | |
| Keißner et al. | Directional fluid transport along artificial ciliary surfaces with base-layer actuation of counter-rotating orbital beating patterns | |
| Kuang et al. | Study on factors enhancing photobleaching effect of fluorescent dye | |
| de Blois et al. | Swimming droplets in 1D geometries: an active Bretherton problem | |
| Schachoff et al. | Hot Brownian motion and photophoretic self-propulsion | |
| RU2294541C1 (ru) | Способ определения скорости термокапиллярного течения у боковой поверхности шайбовидного пузырька | |
| Wynne et al. | Electrokinetic characterization of individual nanoparticles in nanofluidic channels | |
| Yamaguchi et al. | μ-PIV measurements of the ensemble flow fields surrounding a migrating semi-infinite bubble | |
| Liu et al. | Mapping vortex-like hydrodynamic flow in microfluidic networks using fluorescence correlation spectroscopy | |
| Ansari et al. | Flow visualization of a bubble penetration through porous media in SAGD process using µSPIV | |
| Cheng et al. | Experimental study on the oscillation characteristics of thin liquid film in a microchannel | |
| Chesneau et al. | Dynamics and flow characterization of liquid fountains produced by light scattering | |
| Schembri et al. | Velocimetry in microchannels using photobleached molecular tracers: a tool to discriminate solvent velocity in flows of suspensions | |
| Shrestha et al. | Light-induced electrohydrodynamic instability in plasmonically absorbing gold nanofluids | |
| Cao et al. | Brownian Particle Distribution in Tube Flows | |
| González-Gómez et al. | Electrothermoplasmonic flow in gold nanoparticles suspensions: Nonlinear dependence of flow velocity on aggregate concentration | |
| Fukuyama et al. | Thermal Molecular Focusing: Tunable Cross Effect of Phoresis and Advection |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20090524 |
|
| NF4A | Reinstatement of patent |
Effective date: 20110227 |
|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20150524 |