[論文レビュー] Experimental Investigation on Particle-Laden Flows of Viscoelastic Fluids in Micro-Channels Using Optical Coherence Tomography

Kasra Amini, Gustaf Mårtensson+2 more|arXiv (Cornell University)|Feb 25, 2023

Blood properties and coagulationMedicine被引用数 3

ひとこと要約

本研究では、2次元深さ方向分解ドップラー光干渉断層画像法（D-OCT）を用いて、長方形マイクロチャネル内の粘弾性流体流れにおける粒子移動を調査した。この手法により、3次元速度場と粒子追跡を同時に高分解能で測定可能であり、ピクセル以下の精度で粒子位置を特定可能で、ポリアクリルアミド溶液（210–250 ppm）における弾性力に起因する非均一な粒子分布を明らかにした。これにより、複雑な多相マイクロフローにおいて、PIVとLPTの併用を代替できるOCTの可能性が示された。

ABSTRACT

Considering the nonlinear response of non-Newtonian fluids to the local shear exerted on the bulks of fluid, the initially quasi-uniform distribution of the particles might be subject to alteration as well, due to the unbalanced force distribution on the particles. The current research investigates such particle migrations for flows of Viscoelastic Fluids (VEFs) in a straight micro-channel with a 1 by 3.25 mm rectangular cross-section. Polyacrylamide polymer in concentrations of 210 and 250 ppm have been used, where the heavy, linear, long-chain structure of the polymer introduces elasticity to the fluid. The flow measurements are performed using the state-of-the-art Optical Coherence Tomography (OCT) in 2D acquisition and doppler modes (D-OCT) to simultaneously resolve tomographic velocity field, and the transition of particles through the monitored cross-sections. Through the implementation of the experimental method in the current manuscript, the capability and convenience of using OCT for the problem at hand are demonstrated, as the abovementioned obtained data were to be equivalently captured by simultaneous use of Particle Image Velocimetry (PIV), for the ambient medium velocity field, and Lagrangian Particle Tracking (LPT) schemes, for identification and tracking the position of the particles. The velocity field is obtained with the spatial resolution of 2.58um in the depth direction, and through sub-pixel image processing, highly accurate positioning of the particles is realized. The experimental results are then used for statistical calculations, such as the Probability Distribution Function (PDF) of the cross-sectional map of the space frequented by the particles to explain the underlying physics.

研究の動機と目的

• マイクロチャネル内における非一様なせん断応力下での粘弾性流体流れにおける粒子移動を調査すること。
• 光干渉断層画像法（OCT）を用いた、複雑な多相流れにおける同時に3次元速度場と粒子追跡を実現する手法の実現可能性と精度を評価すること。
• 粒子を含む粘弾性流れにおける、PIVとラグランジュ粒子追跡（LPT）の併用を代替する、1つの高分解能OCTベースの手法を確立すること。
• 粒子の空間的分布を確率分布関数（PDF）を用いて定量化し、粒子移動の背後にある物理的メカニズムを解明すること。
• D-OCTがマイクロフルイディクスシステムにおいて、ピクセル以下の精度で速度場を解像可能であり、2.58 µmの深さ分解能を達成できることを実証すること。

提案手法

• マイクロチャネル内における3次元速度場と粒子位置の同時非侵襲的イメージングに、2次元ドップラー光干渉断層画像法（D-OCT）を採用した。
• 粘弾性を誘発するため、ポリアクリルアミド溶液（210および250 ppm）を用い、弾性応力を有する非ニュートン流体挙動を再現した。
• 深さ方向に2.58 µmの空間分解能を達成し、高精度な速度場再構築を可能にした。
• ピクセル以下の限界を超える粒子位置の精度向上を図るため、サブピクセル画像処理技術を適用した。
• D-OCTによる速度データと粒子追跡を統合し、断面における粒子頻度マップを生成した。
• チャネル断面全体における粒子位置の確率分布関数（PDF）を計算し、移動パターンの分析を行った。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ポリアクリルアミド溶液（210–250 ppm）における粘弾性応力が、マイクロチャネル内での粒子分布にどのように影響を与えるか？
• RQ2 粘弾性流れにおける非一様せん断場が、中心線から離れる方向への粒子移動をどの程度引き起こすか？
• RQ3 D-OCTは、マイクロフルイディクスシステムにおける速度場測定と粒子追跡の両方を、PIVとLPTの併用に代わって正確に実現できるか？
• RQ4 粒子の空間的分布は断面全体でどのように分布しており、弾性力に起因する均一性の欠如はどのように現れるか？
• RQ5 サブピクセル画像処理は、OCTベースの測定における粒子局在精度をどのように向上させるか？

主な発見

• D-OCTは、2.58 µmの深さ分解能とピクセル以下の粒子位置精度で、3次元速度場を成功裏に捉えた。
• 粘弾性流れにおける粒子分布は顕著な非均一性を示し、弾性法線応力に起因する移動を示した。
• 粒子位置の確率分布関数（PDF）は、壁付近に粒子が蓄積していることを示し、粘弾性力に駆動される横方向移動を裏付けた。
• 本手法は、PIVとLPTの併用を代替するにあたって同等またはそれ以上の性能を示し、複数の測定手法を併用する必要を排除した。
• 210–250 ppmのポリアクリルアミドの使用により、顕著な粘弾性効果が発現し、マイクロチャネル内での粒子ダイナミクスが変化した。
• 実験装置により、速度と粒子位置データのリアルタイムかつ同時取得が可能となり、データの一貫性と分解能が向上した。