Hydrodynamische cavitatie is een belangrijk faseveranderingsfenomeen dat kan optreden bij een plotselinge afname van de lokale statische druk in een vloeistof. De opkomst van micro-elektromechanische systemen (MEMS) en snelle microfluïdische apparaten hebben veel aandacht getrokken met implementaties op veel gebieden, waaronder cavitatietoepassingen. In een nieuwe studie nu op Natuur:microsystemen en nano-engineering , Farzad Rokhsar Talabazar en collega's in Istanbul, Turkije, Zweden en Zwitserland hebben een nieuwe generatie cavitatie-op-een-chip-apparaten voorgesteld met acht parallelle gestructureerde microkanalen. Het team gebruikte water en een polyvinylalcohol (PVA) microbellensuspensie als werkvloeistoffen in het apparaat. De kenmerken van het cavitatie-op-een-chip-instrument van de volgende generatie hebben toepassingen in microfluïdische of orgaan-op-een-chip-apparaten voor geïntegreerde medicijnafgifte en weefselengineering.

Hydrodynamische cavitatie

Hydrodynamische cavitatie (HC) is een faseveranderingsfenomeen waarbij een vloeistof betrokken is en begint wanneer de statische druk daalt tot een kritische waarde die bekend staat als de verzadigingsdampdruk. Het fenomeen omvat progressieve verdamping voor de generatie, groei en implosie van bellen. Bijvoorbeeld, kleine belletjes kunnen zich vormen in lagedrukzones, typisch bij de ingang van een stroombeperkend element waar traagheidscavitatiebellen in een opeenvolgende cyclus kunnen groeien totdat ze een hogedrukgebied bereiken. Cavitatie is een ongewenst fenomeen en de meeste onderzoeken naar de fysica van cavitatie hebben tot doel het te voorkomen of te verminderen. Onderzoekers willen microfluïdische apparaten ontwerpen en fabriceren die cavitatiebellen kunnen genereren. In dit werk, Talabazar et al. de bruikbaarheid bepaald van het cavitatie-op-een-chip-concept om cavitatiestromen te genereren bij lagere stroomopwaartse drukken, om hun mogelijkheden voor microsysteemtoepassingen te verkennen. Voor dit doeleinde, Talabazar et al. ontwierp een nieuw microfluïdisch apparaat met acht korte, parallelle microkanalen als een cavitatie-op-een-chip-apparaat van de volgende generatie. Ze merkten het effect op van polyvinylalcohol (PVA) microbellen als cavitatiefacilitator op het ontstaan ​​en de ontwikkeling van cavitatie. De resultaten bewezen de hoge prestaties van het apparaat voor het ontstaan ​​van cavitatie en opkomende toepassingen.

Het team nam een ​​microapparaat op met parallelle stroombeperkende elementen waarbij het microfluïdische apparaat een inlaatkanaal bevatte voor vloeistofgeleiding naar de inlaatkamer. De inlaatkamer bevatte een lang gedeelte om voorbijgaande chaotische stroming te laten verdwijnen voordat de vloeistof het mondstukgebied binnenging. Het team leverde de gewenste inlaatdruk aan het systeem met behulp van een hogedruk-stikstoftank vanaf de bovenkant van een stalen vloeistofcontainer. Vervolgens met behulp van een beeldvormingssysteem, ze verkregen beelden binnen zeer korte tijdsintervallen. Tijdens de experimenten, Talabazar et al. gebruikte twee werkvloeistoffen met verschillende inlaatdrukken van 0,2 tot 1,1 MPa. De resultaten benadrukten een nieuwe generatie cavitatie-op-een-chip microfluïdische apparaat. Het team heeft het apparaat laten functioneren met water en polyvinylalcohol microbellen-waterhoeveelheden. De proof-of-concept studie liet zien hoe de efficiënte multifunctionele reactor in de praktijk verklaard kan worden. De wetenschappers beschreven het cavitatieproces op basis van parameters gemeten van de genoemde experimentele opstelling met open lus en bereikten ontwikkelde caviterende stromingsomstandigheden bij een lager Reynolds-getal onder laminaire stromingsomstandigheden.

Microbellen dynamiek

In vergelijking met de cavitatie-aanvangscondities, de cavitatiestroomomstandigheden toonden snellere groeisnelheden van microbellen, waar de grootte van de microbellen toenam bij hoge stroomopwaartse drukken. De microbellen kunnen zich ook buiten een kritische straal uitbreiden, in vergelijking met cavitatiebellen. Eerdere studies over ultrageluidcavitatie rapporteerden bovendien dat microbellen maximale expansie bereikten bij een maximale negatieve transmissiedruk om vervolgens onmiddellijke compressie te ondergaan. Tijdens hydrodynamische cavitatie, microbellen breidden zich uit met een plotselinge afname van de druk om de dynamiek van microbellen in de experimentele opstelling aan te tonen; om dit aan te tonen, Talabazar et al. gebruikte de gemodificeerde Rayleigh-Plesset-vergelijking. Opmerkelijk, de eigenschap van de microbellenschaal vormde een belangrijke parameter om voldoende stijfheid te verschaffen om het oplossen van gasbellen te voorkomen. Als gevolg hiervan, het team merkte op dat de visco-elastische eigenschappen van polyvinylalcoholmicrobellen een belangrijke rol behielden om te stabiliseren na hydrodynamische cavitatie. De resultaten onthulden bovendien hoe de grootte van de microbellen een dominante rol speelde voor het begin en de intensivering van het cavitatieproces door meer nucleatieplaatsen voor bellengroei te bieden.

Outlook

Op deze manier, Farzad Rokhsar Talabazar en collega's bedachten een nieuwe generatie 'cavitatie-op-een-chip'-apparaat met acht parallelle gestructureerde korte microkanalen. Het nieuwe ontwerp verminderde de stroomopwaartse druk om hydrodynamische cavitatie te initiëren. De voorgestelde opstelling maakte de vorming van diverse caviterende stromingsregimes mogelijk bij een constante stroomopwaartse druk in ultramoderne apparaten. Het beschreven instrument kan caviterende stromingspatronen leveren met dezelfde intensiteit bij een lagere ingangsenergie. De geometrie van het apparaat en de zich ontwikkelende caviterende stroomregimes zijn sneller en gemakkelijker voor bestaande microdevices.

Het team gebruikte twee werkvloeistoffen - water en polyvinylalcohol-microbellensuspensies tijdens de experimenten, en de microbellen verschaften meer kiemplaatsen om het ontstaan ​​te vergemakkelijken bij een significant lagere stroomopwaartse druk voor de microbellen van polyvinylalcohol in vergelijking met water. De opkomende cavitatiestromen kunnen zich sneller ontwikkelen en het voorgestelde 'cavitatie-op-een-chip'-apparaat heeft een groter potentieel voor meerdere toepassingen met microfluïdische apparaten voor geïntegreerde medicijnafgifte en weefselmanipulatietoepassingen.

© 2021 Science X Network