[论文解读] 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 3

一句话总结

本研究利用二维深度分辨多普勒光学相干断层扫描（D-OCT）技术，研究了矩形微通道内粘弹性流体中的粒子迁移行为。该方法可实现对三维速度场与粒子轨迹的同步、高分辨率测量，且粒子定位精度达亚像素级别，揭示了聚丙烯酰胺溶液（210–250 ppm）中因弹性力导致的非均匀粒子分布，证明了OCT技术可替代传统的PIV与LPT系统，用于复杂多相微流体的测量。

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.

研究动机与目标

• 研究在微通道中非均匀剪切应力作用下，粘弹性流体流动中的粒子迁移行为。
• 评估光学相干断层扫描（OCT）在复杂多相流中同步测量速度场与粒子轨迹的可行性与准确性。
• 通过单一高分辨率OCT方法，替代传统PIV与拉格朗日粒子追踪（LPT）技术，用于颗粒载流的粘弹性流体测量。
• 利用概率密度函数（PDF）量化粒子的空间分布，揭示粒子迁移的内在物理机制。
• 展示D-OCT在微流体系统中实现亚像素精度的速度场解析与2.58 µm深度分辨率的能力。

提出的方法

• 采用二维多普勒光学相干断层扫描（D-OCT）技术，实现对微通道内三维速度场与粒子位置的同步、非侵入式成像。
• 使用聚丙烯酰胺溶液（210和250 ppm）诱导粘弹性，形成具有弹性应力的非牛顿流体行为。
• 在深度方向实现2.58 µm的空间分辨率，支持高精度速度场重建。
• 应用亚像素图像处理技术，提升粒子位置定位精度，突破像素限制。
• 将D-OCT获取的速度数据与粒子追踪结果结合，生成横截面粒子频率分布图。
• 计算粒子位置在通道横截面上的概率密度函数（PDF），以分析迁移模式。

实验结果

研究问题

• RQ1 聚丙烯酰胺溶液（210–250 ppm）中的粘弹性应力如何影响微通道内粒子的分布？
• RQ2 粘弹性流体中非均匀剪切场在多大程度上导致粒子偏离中心线发生迁移？
• RQ3 D-OCT能否准确替代PIV与LPT联合使用，用于微流体系统中速度场测量与粒子追踪？
• RQ4 粒子在通道横截面上的空间分布如何？其非均匀性在多大程度上由弹性力引起？
• RQ5 亚像素图像处理在OCT测量中如何提升粒子定位精度？

主要发现

• D-OCT成功实现了2.58 µm深度分辨率的三维速度场捕捉，且粒子定位精度达到亚像素级别。
• 粘弹性流体中的粒子分布表现出显著非均匀性，表明其受弹性法向应力影响发生迁移。
• 粒子位置的概率密度函数（PDF）显示粒子在通道壁附近聚集，表明其受粘弹性力驱动发生横向迁移。
• 该方法在性能上等同或优于传统的PIV与LPT系统组合，消除了对多种测量技术的依赖。
• 在210–250 ppm浓度下，聚丙烯酰胺的使用产生了可测量的粘弹性效应，显著改变了微通道中粒子的动力学行为。
• 实验装置实现了速度与粒子位置数据的实时同步采集，提升了数据一致性与空间分辨率。