СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ СКОРОСТИ ТЕРМОКАПИЛЛЯРНОГО ТЕЧЕНИЯ У БОКОВОЙ ПОВЕРХНОСТИ ШАЙБОВИДНОГО ПУЗЫРЬКА Российский патент 2007 года по МПК G01P5/20 G01F1/704 

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 χ_S, 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 χ_d, которая складывается по принципу суперпозиции [5, 6] с кривизной χ_S до облучения. В итоге, визуально наблюдаемая деформация 6 боковой поверхности пузырька 1 имеет суммарную кривизну [6]

Динамическая кривизна χ_d создает избыточное капиллярное давление в пузырьке p_σ=σ·χ_d и возвратные потоки жидкости с динамическим напором p_i=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 χ_S 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 χ_S=R_S ^-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.

 АцетонЭтанолБутанол10% этанольно-водная смесьu, мм/с250160180142

В опытах использовали пузырьки с R_S 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.

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.

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.