Πειραματική μελέτη ροής σε υδρόφιλες και υδρόφοβες επιφάνειες μικροκαναλιών με την τεχνική micro-PIV

Abstract

Στην παρούσα διπλωματική εργασία μελετήσαμε με τη μέθοδο micro-PIV τη ροή σε υδρόφοβες, υδρόφιλες, υπέρ-υδρόφοβες και υπέρ-υδρόφιλες επιφάνειες μικροκαναλιών, βάθους 100μm, με σκοπό την ανάδειξη των διαφορών τους. Το micro-PIV αποτελεί ένα ιδιαίτερα χρήσιμο ‘’εργαλείο’’, και αυτό λόγω της ιδιαίτερα μικρής διακριτικής ανάλυσης που αποδίδει μέσω της χρήσης του μικροσκοπίου. Ο πειραματικός εξοπλισμός που χρησιμοποιήθηκε συνίσταται από τους εξής συντελεστές: ανεστραμμένο μικροσκόπιο φθορισμού Olympus IX71, μικροαντλία syringe pump, φθορίζοντα σωματίδια για τον προσδιορισμό της ταχύτητας της ροής, τα οποία διεγείρονται με απορρόφηση ακτινοβολίας 540nm (πράσινο) και εκπέμπουν στα 560nm (κόκκινο), laser ND-Yag που εκπέμπει στα 532nm, κάμερα CMOS 1,4MP για τη λήψη εικόνων, μικροκανάλια κατασκευασμένα από PMMA που υπέστησαν επεξεργασία με εγχάραξη πλάσματος οξυγόνου, και το πρόγραμμα Insight 3G για επεξεργασία των δεδομένων. Οι παροχές νερού που χρησιμοποιήθηκαν ήταν σχετικά υψηλές (η μικρότερη ήταν 60μl/min). Για την κάθε επεξεργασία λήφθηκε επαρκής αριθμός εικόνων με σκοπό τον περιορισμό ‘’θορύβου’’ από τα σωματίδια, καθώς επίσης και την επαρκή συγκέντρωσή τους στα interrogation windows. Χρησιμοποιήθηκε το ensemble PIV για ‘’φιλτράρισμα’’ μετατοπίσεων που δεν συνεισέφεραν ποιοτικά στα αποτελέσματα. Τα αποτελέσματα που προέκυψαν είχαν μεγάλες αποκλίσεις από τα αναμενόμενα, καθώς δεν μπορέσαμε να διακρίνουμε κάποια διαφορά ως προς την ολίσθηση, ενώ τα υδρόφιλα εμφάνιζαν τάσεις μάλλον υδρόφοβων μικροκαναλιών. Πιο συγκεκριμένα τα υδρόφιλα προφίλ είχαν επίπεδα προφίλ σε σχέση με τα υδρόφοβα που είχαν πιο παραβολικά. Επίσης η μέγιστη ταχύτητα της ροής στα υδρόφοβα ήταν ίδια με αυτήν στα υδρόφιλα, ενώ θα έπρεπε να είναι μικρότερη, λόγω της συνεισφοράς της ταχύτητας ολίσθησης στα τοιχώματα. Συνεπώς δεν είχαμε κάποια ένδειξη που να μαρτυράει το φαινόμενο της ολίσθησης. Τα αποτελέσματα μπορούν να αποδοθούν είτε σε ανεπαρκή διακριτική ανάλυση, είτε σε υποχώρηση των ιδιοτήτων των επιφανειών.

The subject of this diploma thesis is the study flow over hydrophobic, hydrophilic, super-hydrophobic and super-hydrophobic microchannels’ surfaces, in order to highlight their differences. Micro-PIV is an extremely useful measurement technique, due to the spatial resolution given by the microscope. The experimental equipment that was used consists of: an inverted fluorescent IX71 Olympus microscope, a syringe pump, fluorescent microspheres that absorb green light (540nm) and emit red (560nm), a pulsated Nd-YAG laser (532nm), CMOS camera, microchannels made from PMMA, and Insight 3G software. The flow rates were rather high (bigger than 60μl/min). The number of captured pictures was adequate enough, in order to limit the Signal-To-Noise ratio, as well as to ensure good particles concentration in each interrogation window. Ensemble PIV was used, in order to ‘’cut down’’ particles that do not contribute sufficiently to the cross-correlation function. The results do not meet the expected, since we were not able to ascertain the existence of fluid slip over hydrophobic and super-hydrophobic surfaces. More specifically, the hydrophilic profiles were ‘’flatter’’ than hydrophobic, that were parabolic. Furthermore the maximum flow velocity in hydrophobic cases, is the same or higher than the maximum velocity in hydrophilic cases. The results can be attributed to insufficient spatial resolution and recovery of hydrophilic or hydrophobic behavior.