[논문 리뷰] Experimental Investigation on Particle-Laden Flows of Viscoelastic Fluids in Micro-Channels Using Optical Coherence Tomography

Kasra Amini, Gustaf Mårtensson외 2명|arXiv (Cornell University)|2023. 02. 25.

Blood properties and coagulationMedicine인용 수 3

한 줄 요약

이 연구는 2차원 깊이 해상도가 있는 도플러 광학 간섭 단층촬영(D-OCT)을 사용하여 직사각형 미세채널 내 점탄성 유체 흐름에서 입자 이동을 조사한다. 이 방법은 3차원 속도장과 입자 추적을 동시에 고해상도로 측정할 수 있으며, 픽셀 이하 정확도로 입자 위치를 측정하여 폴리아크릴아미드 용액(210–250 ppm)에서 탄성력으로 인한 비균일한 입자 분포를 드러내며, 복잡한 다상 미세유동에서 기존의 PIV와 LPT 시스템을 대체할 수 있음을 보여준다.

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.

연구 동기 및 목표

• 미세채널 내 비균일한 절연력 하에서 점탄성 유체 흐름에서 입자 이동을 조사한다.
• 광학 간섭 단층촬영(OCT)을 사용하여 복잡한 다상 유동에서 동시에 속도장 측정과 입자 추적의 가능성과 정확도를 평가한다.
• 입자 랜든 점탄성 유동에서 기존의 PIV와 라그랑주 입자 추적(LPT)을 하나의 고해상도 OCT 기반 방법으로 대체한다.
• 입자 분포의 공간적 분포를 확률분포함수(PDFs)를 사용하여 측정함으로써 입자 이동의 근본적인 물리적 메커니즘을 밝힌다.
• D-OCT가 미세유체 시스템에서 픽셀 이하 정확도로 속도장을 해상하고 2.58 µm의 깊이 해상도를 확보할 수 있음을 입증한다.

제안 방법

• 미세채널 내 3차원 속도장과 입자 위치를 동시에 비침습적으로 촬영하기 위해 2차원 도플러 광학 간섭 단층촬영(D-OCT)을 사용한다.
• 점탄성을 유도하기 위해 폴리아크릴아미드 용액(210 및 250 ppm)을 사용하여 비뉴턴성 유동 거동과 탄성 응력이 작용하는 조건를 만든다.
• 깊이 방향으로 2.58 µm의 공간 해상도를 확보하여 고정밀 속도장 재구성에 기여한다.
• 픽셀 이하 정확도를 넘어서기 위해 픽셀 이하 영상 처리 기법을 적용하여 입자 위치 정확도를 향상시킨다.
• D-OCT 속도 데이터와 입자 추적을 융합하여 횡단면 입자 빈도도 맵을 생성한다.
• 채널 횡단면에서 입자 위치의 확률분포함수(PDFs)를 계산하여 이동 패턴을 분석한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 폴리아크릴아미드 용액(210–250 ppm)에서의 점탄성 응력이 미세채널 내 입자 분포에 미치는 영향은 무엇인가?
• RQ2 점탄성 유동에서 비균일한 절연력장이 중심선에서 벗어나는 입자 이동을 어느 정도 유도하는가?
• RQ3 D-OCT는 미세유체 시스템에서 속도장 측정과 입자 추적에 있어 PIV와 LPT의 병합 사용을 정확하게 대체할 수 있는가?
• RQ4 입자 분포는 채널 횡단면에서 어떻게 공간적으로 분포되어 있으며, 탄성력으로 인해 균일성에서 얼마나 벗어지는가?
• RQ5 픽셀 이하 영상 처리 기법은 OCT 기반 측정에서 입자 위치 정확도를 어떻게 향상시키는가?

주요 결과

• D-OCT는 2.58 µm의 깊이 해상도와 픽셀 이하의 입자 위치 정확도로 3차원 속도장을 성공적으로 캡처하였다.
• 점탄성 유동 내 입자 분포는 비균일성이著하여 탄성 정규응력으로 인한 이동을 시사한다.
• 입자 위치의 확률분포함수(PDF)는 채널 벽 측면에 입자가 축적되어 있음을 보여주며, 점탄성력에 의해 유도된 횡방향 이동을 나타낸다.
• 이 방법은 PIV와 LPT 시스템의 병합 사용에 비해 동등하거나 더 뛰어난 성능을 보였으며, 복수의 측정 기법이 필요 없음을 입증하였다.
• 210–250 ppm 범위의 폴리아크릴아미드 사용은 미세채널 내 입자 역학을 변화시키는 측정 가능한 점탄성 효과를 유도하였다.
• 실험 설정은 실시간으로 속도 및 입자 위치 데이터를 동시에 확보할 수 있게 하여 데이터 일관성과 해상도를 향상시켰다.