RU2294541C1 - Method for determining speed of thermo-capillary flow near side surface of washer-shaped vial - Google Patents

Method for determining speed of thermo-capillary flow near side surface of washer-shaped vial Download PDF

Info

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
Application number
RU2005115612/28A
Other languages
Russian (ru)
Other versions
RU2005115612A (en
Inventor
Наталь Александровна Иванова (RU)
Наталья Александровна Иванова
Борис Антонович Безуглый (RU)
Борис Антонович Безуглый
Original Assignee
Гоу Впо "Тюменский Государственный Университет"
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Гоу Впо "Тюменский Государственный Университет" filed Critical Гоу Впо "Тюменский Государственный Университет"
Priority to RU2005115612/28A priority Critical patent/RU2294541C1/en
Publication of RU2005115612A publication Critical patent/RU2005115612A/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2294541C1 publication Critical patent/RU2294541C1/en

Links

Images

Landscapes

  • Indicating Or Recording The Presence, Absence, Or Direction Of Movement (AREA)
  • Investigating Or Analyzing Materials Using Thermal Means (AREA)

Abstract

FIELD: possible use for diagnostics of flow of liquids in the channel of micro-fluid pump or optical switch.
SUBSTANCE: in accordance to method, thermo-capillary flow is excited by means of a light beam. Static curvature and total curvature of visually observed side surface of washer-shaped vial are measured, deformation of which surface is caused by thermo-capillary flow. On basis of results of measurement, speed of the flow is determined.
EFFECT: simplified diagnostics of current in micro-scale.
5 dwg

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].The invention relates to the field of non-contact methods for diagnosing the flow of liquids at the microscale and can be used to determine the flow velocity at the surface of a bubble moving in the channel of a microfluidic pump or optical switch [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.There is a method [3] for measuring the flow rate of a liquid, which consists in the following: a liquid stream is seeded with tracer particles labeled with a fluorescent dye, then the cross section of the stream is irradiated with successive pulses of laser light focused by a cylindrical lens into the sheet and, simultaneously with the supply of pulses, perform image capture. Further, on the basis of these images, using a computer program, the position of the selected particle is recorded on a sequence of frames and its displacement is measured for the period between two pulses, then the speed is calculated.

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.However, in microfluidics this method has several disadvantages. The choice of tracer particles is critical for each case studied. On the one hand, the particles must be small enough to track the streamlines and not block the flow, and on the other hand, large enough to damp the Brownian motion, which introduces an error in the velocity measurements. In addition, a complex data processing algorithm requires a specialized computer program.

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.When diagnosing the flow induced by small (up to 10 ° C) local thermal disturbances (for example, convection at the microscale caused by the thermal action of the light beam [1, 4]), the application of this method imposes restrictions on the choice of the wavelength of the inducing radiation, which should not heat the tracer particles and interfere with them.

Целью данного изобретения является упрощение способа определения скорости термокапиллярного течения у поверхности шайбовидного пузырька.The aim of the present invention is to simplify the method for determining the velocity of thermocapillary flow at the surface of the washer-like bubble.

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].The goal is achieved by measuring the static curvature and the total curvature of the visually observed lateral surface of the bubble, the deformation of which is caused by the thermocapillary flow of the induced light beam. In this case, the total curvature of the observed visually deformed surface of the bubble is found according to the principle of superposition of curvatures [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]A detailed mechanism for the formation of total curvature (Figure 1) and the derivation of the expression for the speed are as follows. The lateral surface of the washer bubble 1, sandwiched between two transparent for radiation plates 2 has a constant static curvature χ S , Figure 1 (a). At the moment when the absorbing liquid 3 is adjacent to the lateral surface of the bubble 1 and is heated by the light beam 4, Fig. 1 (b), the surface tension on the surface of the bubble decreases, and a field of thermocapillary forces 5 arises, causing the fluid to be carried away from the irradiation zone. As a result, the lateral surface of the bubble acquires a dynamic curvature χ d , which is folded according to the superposition principle [5, 6] with the curvature χ S before irradiation. As a result, the visually observed deformation 6 of the lateral surface of the bubble 1 has a total curvature [6]

Figure 00000002
Figure 00000002

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 видDynamic curvature χ d creates excessive capillary pressure in the bubble p σ = σ · χ d and return fluid flows to the dynamic pressure p i = ρu 2/2, generating two coherent vortex 7 in a liquid [4]. Here u is the desired velocity of the thermocapillary flow near the surface of the washer bubble, which, from the condition of the balance of these pressures and the superposition principle (1), has the form

Figure 00000003
Figure 00000003

плотность ρ жидкости и ее коэффициент поверхностного натяжения σ являются табличными величинами.fluid density ρ and its surface tension coefficient σ are tabulated values.

Далее, скорость u термокапиллярного течения находят по результату измерения суммарной кривизны χ боковой поверхности пузырька и ее статической кривизны χS Фиг.1(а).Further, the velocity u of the thermocapillary flow is found by measuring the total curvature χ of the side surface of the bubble and its static curvature χ S of Fig. 1 (a).

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.Figure 2 shows a diagram for measuring the curvature χ. Using a photograph of a deformed bubble obtained by photographing or filming, and assuming that the deformed surface 6 is a section of a certain circle 8, this circle is completed in any graphic editor and its radius of curvature R = χ -1 is measured. Knowing the static curvature of the bubble χ S = R S -1 , the velocity of thermocapillary flow u is calculated by formula (2).

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.Figure 3 shows the frames of the bubbles: (a) - the light beam is projected into the wetting film under the bubble and does not have a thermal effect on the side surface; (b) - a light beam heats the near-surface region of the bubble, which causes a thermocapillary flow that deforms the lateral surface of the bubble. Here, the curvature measurement was carried out in the MSWord editor, where these frames were inserted and the circle was completed using the WordArt tool and its curvature was measured.

Пример. В таблице даны средние значения скорости термокапиллярного течения в разных жидкостях, возбуждаемого пучком света у поверхности пузырьков, полученные предлагаемым способом.Example. The table shows the average values of the velocity of thermocapillary flow in different liquids, excited by a light beam at the surface of the bubbles, obtained by the proposed method.

АцетонAcetone ЭтанолEthanol БутанолButanol 10% этанольно-водная смесь10% ethanol-water mixture u, мм/сu, mm / s 250250 160160 180180 142142

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.In the experiments, we used bubbles with R S from 0.4 to 0.6 mm, clamped in a cell with a gap of 50 μm, filled with colored liquids, which were irradiated with focused radiation of a mercury lamp. The absorbed power of the liquids was the same and equal to 30 mW.

Разница между значениями, полученными по предлагаемому способу и оцененными с помощью трассерных частиц, составляет менее 15%.The difference between the values obtained by the proposed method and estimated using tracer particles is less than 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.Thus, the proposed method, characterized by simplicity, has several advantages: it does not require tracer particles, additional probing beams and optics for them, and also does not require software for calculating the speed.

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.The method can be used to determine the velocity of thermocapillary flows caused not only by the local action of a light beam on the surface of the bubble, but also due to local heating of this surface by resistive heaters. In this case, it is only necessary to illuminate the bubble with diffused light.

ЛИТЕРАТУРАLITERATURE

1. Sato M., Horie M., Kitano N. et. al. Thermocapillary optical switch. // Hitachi Cable Review. 2001. №.20. P.19-24.1. Sato M., Horie M., Kitano N. et. al. Thermocapillary optical switch. // Hitachi Cable Review. 2001. No.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.5658-5664.2. Jun T.K., Kim C.-J. Valveless pumping using traversing vapor bubbles in microchannels. // J. Applied Physics. 1998. Vol. 83. No. 11. P.5658-5664.

3. URL: http://www.lavison.de/download/educational/pivintroduction.pdf3. 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.71-75.4. Bezugly B.A., Ivanova N.A. Manipulating a gas bubble in a Hele-Shaw cell using a beam of light. // Letters to the ZhTF. 2002. Vol. 28. Issue 19. S.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.735-741.5. Bezugly B.A., Tarasov O.A., Fedorets A.A. A modified method of an inclined plate for measuring the wetting angle. // Colloidal journal. 2001. No.6. S.735-741.

6. Тарасов О.А. Аддитивность динамической кривизны термокапиллярного углубления и статической кривизны мениска смачивания. // Коллоидный журнал. 2005. Т.67. №2. С.1-9.6. Tarasov O.A. Additivity of the dynamic curvature of the thermocapillary recess and the static curvature of the wetting meniscus. // Colloidal journal. 2005.V. 67. No. 2. S.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.A method for determining the velocity of a thermocapillary flow near the lateral surface of a washer bubble, wherein the thermocapillary flow is excited by a light beam, characterized in that the static curvature and the total curvature of the visually observed lateral surface of the bubble are measured, the deformation of which is caused by the thermocapillary flow, and the speed of this flow is found from the measurement results.
RU2005115612/28A 2005-05-23 2005-05-23 Method for determining speed of thermo-capillary flow near side surface of washer-shaped vial RU2294541C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2005115612/28A RU2294541C1 (en) 2005-05-23 2005-05-23 Method for determining speed of thermo-capillary flow near side surface of washer-shaped vial

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2005115612/28A RU2294541C1 (en) 2005-05-23 2005-05-23 Method for determining speed of thermo-capillary flow near side surface of washer-shaped vial

Publications (2)

Publication Number Publication Date
RU2005115612A RU2005115612A (en) 2006-11-27
RU2294541C1 true RU2294541C1 (en) 2007-02-27

Family

ID=37664243

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2005115612/28A RU2294541C1 (en) 2005-05-23 2005-05-23 Method for determining speed of thermo-capillary flow near side surface of washer-shaped vial

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2294541C1 (en)

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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 (en) 2006-11-27

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Lindken et al. Micro-particle image velocimetry (µPIV): recent developments, applications, and guidelines
LeClair et al. A theoretical and experimental study of the internal circulation in water drops falling at terminal velocity in air
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
Weinert et al. Optically driven fluid flow along arbitrary microscale patterns using thermoviscous expansion
Mohammadi et al. Experimental techniques for bubble dynamics analysis in microchannels: a review
Khodaparast et al. A micro particle shadow velocimetry (μPSV) technique to measure flows in microchannels
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
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
Bouzigues et al. Using surface force apparatus, diffusion and velocimetry to measure slip lengths
RU2294541C1 (en) Method for determining speed of thermo-capillary flow near side surface of washer-shaped vial
Vasudevan et al. Laser induced fluorescence measurement of liquid film thickness and variation in Taylor flow
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
Sinton et al. Microfluidic velocimetry with near-wall resolution
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
Blonski et al. Analysis of turbulence in a micro-channel emulsifier
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

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