Effects of viscoelasticity on droplet dynamics in microfluidic systems
Viskoelastisitenin mikroakışkan sistemlerindeki damlacık dinamiği üzerindeki etkileri
- Tez No: 434267
- Danışmanlar: PROF. DR. METİN MURADOĞLU
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Makine Mühendisliği, Mechanical Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2016
- Dil: İngilizce
- Üniversite: Koç Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: 68
Özet
Bu çalışmada viskoelastisitenin mikroakışkan sistemlerindeki damlacık dinamiği üzerindeki etkilerini sayısal olarak incelendik. Viskoelastik etkiler FENE-CR modeli ile hesaba katıldı. Akış ve viskoelastik model denklemlerinin çözümünde ise sonlu-farklar/ara-yüz izleme metodu kullanıldı. İlk olarak bir aksisimetrik akış odaklama konfigürasyonunda, ana akışkanın viskoelastisitesinin damlacık oluşumu üzerindeki etkilerini incelendik. Bu amaçla akış debi oranı, Weissenberg sayısı, polimerik viskozite oranı ve uzayabilirlik katsayısı gibi parametreleri içeren geniş bir parametre aralığı için yoğun simülasyonlar yapıldı. Akış debi oranı arttığında sırasıyla sıkıştırma, damlama ve jetleşme modlarında üç farklı akış rijimi gözlendi. Viskoelastisitenin sıkışma modundan damlama moduna ve damlama modundan jetleşme moduna geçişleri geciktirdiği tespit edildi. Kritik Weissenberg sayısında deformasyon oranı sertleşmesi oluştuğu ve bunun sonucu olarak damlacık boyutunun ani olarak büyüdüğü bulundu. Bu etkinin polimerik viskozite oranı ile arttığı tespit edildi. Bundan sonra, ink-jet yazıcı teknolojisi kullanılarak hücre-hücre doku yazma probleminde biyolojik hücreyi içine alan mikro-damlacık sıvısının viskoelastisitesinin hücrenin yüzeye çarpması ve yayılması sırasında maruz kaldığı deformasyon ve buna bağlı olarak oluşan hasar miktarını araştırdık. Hücre yazılımı bir birleşik damlacığın düze ve katı bir yüzeye çarpması olarak modellendi. Bu modelde hem içteki damlacık hem de onu içine alan dıştaki damlacık sıvısı viskoelastik akışkan olarak kabul edildi. Weissenberg sayısı ve iç hücre ile kapsayıcı damlacık arasındaki polimerik viskozite oranı gibi viskoelastik parametrelerin etkilerini incelemek için yoğun simülasyonlar yapıldı. Genel olarak hücreyi içine alan damlacık sıvısının viskoelastisitesinin damlacığın yayılmasını hızlandırdığı hücrenin yaşayabilirliğini arttırdığı gözlendi. Ayrıca Weissenberg sayısı ve polimerik viskozite oranındaki artışın hücre deformasyonunu azalttığı ve dolayısıyla hücrenin yaşayabilirliliğini artırdığı tespit edildi. Bununla birlikte hücrenin kendi viskoelastisitenin etkilerinin ihmal edilebilir olduğu görüldü.
Özet (Çeviri)
We numerically investigate the effects of viscoelasticity on droplet dynamics in microfluidic systems. A finite-difference/front-tracking method is used to solve the flow equations and the viscoelasticity is modeled using the FENE-CR model. We first examine the effects of bulk fluid viscoelasticity on droplet formation and dynamics in an axisymmetric flow focusing configuration. Extensive simulations are performed for a wide range of parameters including flow rate ratio, Weissenberg number, polymeric viscosity ratio and extensibility parameter. Three different regimes are observed in the sequence of squeezing, dripping and jetting modes as the flow rate ratio is increased. It is found that the viscoelasticity delays transition from squeezing to dripping and from dripping to jetting regimes. The strain-rate hardening occurs at a critical Weissenberg number resulting in an abrupt increase in droplet size. Then, we examine the effects of viscoelasticity on the single cell epitaxy in which cell-encapsulating droplets are printed on a substrate. We present a viscoelastic compound droplet to model the cell printing. Extensive simulations are performed for a range of viscoelastic parameters of the Weissenberg number and the polymeric viscosity ratio of both inner cell and encapsulating droplet. It is found that encapsulating droplet spreads faster and cell viability improves in the presence of viscoelasticity in the encapsulating droplet. It is also found that, the cell deformation decreases and cell viability increases as Weissenberg number and polymeric viscosity ratio of the encapsulating droplet increase. Moreover, effects of viscoelasticity of the inner cell is found to be negligible in the range of parameters we studied.
Benzer Tezler
- Combined effects of surfactant and viscoelasticity on drop dynamics
Yüzey aktif maddesi ve viskoelastisitenin damacık dinamiğine üzerindeki kombine etkileri
MOHAMMAD NABIZADEHMASHHADTOROGHI
Yüksek Lisans
İngilizce
2018
Makine MühendisliğiKoç ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. METİN MURADOĞLU
- Computational modeling of viscoelastic two-phase systems
Viskoelastik iki-fazlı sistemlerin hesaplamalı yöntemlerle modellenmesi
DAULET IZBASSAROV
Doktora
İngilizce
2016
Makine MühendisliğiKoç ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. METİN MURADOĞLU
- Dynamics of viscoelastic droplets in complex capillaries
Viskoelastik dalmacıkların kompleks geometrili kanallardaki dimemiği
HADİ ZOLFAGHARİ
Yüksek Lisans
İngilizce
2015
Makine MühendisliğiKoç ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. METİN MURADOĞLU
- Computational study of impact and spreading of a compound droplet on a flat surface as a model for single cell epitaxy
Birleşik bir damlacığın düz bir zemine çarpma ve bu yüzeyde yayılması probleminin sayısal modellemesi
GÖZDE KAYNAK
Yüksek Lisans
İngilizce
2010
Makine MühendisliğiKoç ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. METİN MURADOĞLU
- Effects of surfactant and viscoelasticity on turbulent bubbly flows
Kabarcıklı Türbülanslı Akışlarda Yüzey Aktif Maddesi ve Viskoelastisitenin Etkileri
ZAHEER AHMED
Doktora
İngilizce
2020
Makine MühendisliğiKoç ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. METİN MURADOĞLU