Flow evolution of hydrodynamic cavitation on chip concept
Hidrodinamik kavitasyonun çip üzerindeki akış evrimi
- Tez No: 831840
- Danışmanlar: PROF. DR. ALİ KOŞAR, DR. ÖĞR. ÜYESİ MORTEZA GHORBANI
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Bilim ve Teknoloji, Mekatronik Mühendisliği, Mühendislik Bilimleri, Science and Technology, Mechatronics Engineering, Engineering Sciences
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2023
- Dil: İngilizce
- Üniversite: Sabancı Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Mekatronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: 156
Özet
Son yıllarda, hidrodinamik kavitasyon, enerji dönüşümü, kimyasal işleme ve biyomedikal bilimler gibi çeşitli alanlarda potansiyel uygulamaları nedeniyle büyük ilgi görmüştür. Bu tez, mikroakışkan sistemlerde hidrodinamik kavitasyon olgusunun kapsamlı bir araştırmasını sunmaktadır ve dört ayrı fakat birbiriyle ilişkili çalışmadan elde edilen görüşlere dayanmaktadır. İlk çalışma, hidrodinamik kavitasyonun potansiyelini kullanmayı amaçlayan öncü bir mikroakışkan cihazının tanıtımıyla temeli atmıştır. Paralel mikro-orifislere pürüzlülük elemanlarının stratejik entegrasyonu sayesinde cihaz, yoğunlaşmış kavitasyon akışlarını teşvik eder ve kavitasyon başlangıcını kolaylaştırır. Bu çalışma, mikroölçekteki kavitasyon akış desenlerinin kapsamlı bir tipolojisini sunmanın yanı sıra, aynı zamanda tek bir mikroakışkan platformunda farklı enerji imzalarına sahip çoklu akış desenlerini barındırmak için yeni bir yaklaşım getirir. Bu tasarımın getirdiği olasılıklar, kontrollü nanopartikül sentezi ve ileri yara iyileştirme tedavileri gibi uygulamalara kadar uzanır. Sonraki çalışma, özellikle 'çip üzerinde kavitasyon' kavramı bağlamında, hidrodinamik kavitasyonun karmaşık kimyasal dinamiklerine odaklanmıştır. Kavitasyon akış desenleri ile kabarcık çökmesi sırasındaki kimyasal reaksiyonlar arasındaki ilişkinin titiz incelemesiyle, bu çalışma kimyasal türlerin salınımının kavitasyon başlangıcından hemen önce zirve yaptığı bir olgunun perdesini aralamaktadır. Bu keşif, çeşitli akış rejimler altında geçici kavitasyon davranışının nüanslı incelemelerinin gerekliliğini vurgulamakta ve ayrıca mikroölçekte hidrodinamik kavitasyonu kullanarak ekolojik açıdan sürdürülebilir atık değerlendirmesi potansiyelini ortaya koymaktadır. Bu bulguları temel alarak, üçüncü çalışma, mikroalanlarda kavitasyon akışlarının kolayca oluşturulmasını amaçlayan 'çip üzerinde hidrodinamik kavitasyon' paradigmını genişletmektedir ve bu, basamaklı mikro-orifis düzenlemeleri kullanılarak kolayca ölçeklendirilebilir. Özel bir deneysel kurulumun yaratılmasıyla, bu araştırma akış modeli sınıflandırması, ölçek etkileri ve kavitasyon akışlarının evrimsel dinamiklerinin inceliklerini açığa çıkarmaktadır. Özellikle, çeşitli kavitasyon akış desenlerinin ortaya çıkışının, özellikle jet akışı olmak üzere çeşitli akış fenomenleri ile karmaşık bir şekilde ilişkilendirildiği görülmüştür. Bu görüşün getirdiği sonuçlar, çok fazla akış koşulu altında kavitasyon etkilerini gerektiren daha geniş bir uygulama yelpazesi için umut vadetmektedir. Son olarak, dördüncü çalışma, sekiz paralel mikrokanal içeren yeni nesil 'çip üzerinde kavitasyon' cihazlarını tanıtarak paradigma değişikliği getirmiştir. Bu yenilik, kavitasyon başlangıcı için gereken yukarı yönlü basıncı önemli ölçüde azaltmayı hedeflemektedir. Ayrıca, poli(vinil alkol) (PVA) mikro-baloncuk süspansiyonlarının dahil edilmesi, kavitasyon başlatma için enerji eşiğini daha da düşürmektedir. Cihazın çok yönlülüğü, sabit bir kavitasyon numarası çerçevesinde farklı kavitasyon akış desenlerini barındırma yeteneği ile somutlaşmaktadır. Bu cihazda gözlemlenen yoğunluğun artması ve hızlı gelişimi, önceki çalışmalara kıyasla bu cihazın mikroakışkan ve çip tabanlı platformlara entegrasyon potansiyelini vurgulamaktadır; bu da kontrol edilmiş ilaç salımı ve ileri doku mühendisliği gibi uygulamalarda potansiyel etkilere işaret etmektedir. Bu çalışmalar, hidrodinamik kavitasyon alanında çok yönlü ilerlemelere katkı sağlamaktadır. Yeni mikroakışkan tasarımların sentezi, kimyasal etkileşimlerin aydınlatılması, mikroölçekli incelemeler ve yenilikçi 'çip üzerinde kavitasyon' cihazlarının tanıtılması, hidrodinamik kavitasyonun çok yönlü potansiyelinin zengin bir anlayışını sağlar. Bu araştırma, temel araştırmadan pratik teknolojik uygulamalara kadar geniş bir yelpazede disiplinlerarası uygulamalar için yeni olanaklar sunar.
Özet (Çeviri)
In recent years, hydrodynamic cavitation has garnered significant attention for its potential applications in diverse fields, such as energy conversion, chemical processing, and biomedical sciences. This thesis presents a comprehensive investigation of the phenomenon of hydrodynamic cavitation in microfluidic systems, with insights drawn from four distinct yet interrelated studies. The initial study established the foundation by introducing a pioneering microfluidic device designed to harness the potential of hydrodynamic cavitation. Through the strategic integration of roughness elements within parallel micro-orifices, the device fosters intensified cavitating flows and facilitates the onset of cavitation inception. This study not only offers a comprehensive typology of cavitating flow patterns within the microscale, but also introduces a novel approach to accommodate multiple flow patterns with distinct energy signatures within a singular microfluidic platform. The implications of this design extend to applications such as controlled nanoparticle synthesis and advanced wound-healing therapies. Subsequent exploration has delved into the intricate chemical dynamics of hydrodynamic cavitation, particularly in the context of the 'cavitation-on-a-chip' concept. By scrutinizing the nexus between cavitating flow patterns and chemical reactions during bubble collapse, this study unravels a phenomenon wherein the release of chemical species peaks immediately prior to cavitation inception. This revelation underscores the necessity of nuanced investigations into transient cavitation behavior under diverse flow regimes. Furthermore, the potential for ecologically sound waste valorization through reactors harnessing hydrodynamic cavitation at a microscale is evident, offering prospects for sustainable resource management. Building on these findings, the third study extends the paradigm of 'hydrodynamic cavitation on a chip,' advocating for the facile generation of cavitating flows within microdomains, which can be readily scaled up using cascaded micro-orifice arrangements. Through the creation of a bespoke experimental setup, this investigation reveals the intricacies of flow pattern classification, scale effects, and the evolutionary dynamics of cavitating flows. Notably, the emergence of various cavitating flow patterns has been revealed to be intricately tied to diverse fluid flow phenomena, notably jet flow. The ramifications of this insight hold promise for a broader spectrum of applications, necessitating cavitation effects under multiphase fluid flow conditions. Finally, the fourth study introduced a paradigm shift in 'cavitation-on-a-chip' devices by unveiling a next-generation design featuring eight parallel microchannels. This innovation aims to significantly curtail the required upstream pressure for cavitation inception. In addition, the incorporation of poly(vinyl alcohol) (PVA) microbubble suspensions further reduces the energy threshold for cavitation initiation. The versatility of the device is epitomized by its ability to accommodate a range of cavitating flow patterns, each characterized by unique intensities, within a constant cavitation number framework. The heightened intensity and rapid development of cavitating flows observed in this device vis-à-vis earlier endeavors underscores its potential for integration into microfluidic and organ-on-a-chip platforms, with potential implications for controlled drug delivery and advanced tissue engineering. These studies contribute to multifaceted advancements in the domain of hydrodynamic cavitation. The synthesis of novel microfluidic designs, elucidation of chemical interactions, microscale investigations, and unveiling of innovative 'cavitation-on-a-chip' devices collectively establish an enriched understanding of the manifold potential of hydrodynamic cavitation. This research opens novel avenues for cross-disciplinary applications, spanning fundamental research to practical technological implementations.
Benzer Tezler
- Microscale cavitating flow patterns and spray characteristics with applications
Mikro boyutlu kavitasyon akış modelleri ve sprey özellikleri ile uygulamaları
MORTEZA GHORBANI
Doktora
İngilizce
2017
Makine MühendisliğiSabancı ÜniversitesiMekatronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ALİ KOŞAR
- Numerical simulation of unsteady quasi-one-dimensional bubbly cavitating nozzle flows
Sanki-bir-boyutlu lülelerde daimi olmayan kavitasyonlu kabarcıklı akışların sayısal benzetimi
ZAFER BAŞKAYA
Doktora
Türkçe
2011
Havacılık Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiUçak ve Uzay Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. CAN FUAT DELALE
- Development of high density polyethylene based composites for additive manufacturing used in shipbuilding industry
Gemi inşaati endüstrisindeki eklemeli imalatta kullanılmak üzere yüksek yoğunluklu polietilen esaslı kompozit malzeme geliştirilmesi
AYBERK SÖZEN
Doktora
İngilizce
2024
Gemi MühendisliğiDokuz Eylül ÜniversitesiDeniz Bilimleri Ana Bilim Dalı
PROF. DR. GÖKDENİZ NEŞER
- Türkiye sularına uygun balıkçı gemilerinin bilgisayar destekli dizaynı
Computer aided design of fishing boats suitable for Turkish waters
MUHSİN AYDIN
Doktora
Türkçe
2002
Gemi Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiGemi İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. AYDIN ŞALCI
- Novel vision based estimation techniques for the analysis of cavitation bubbles
Kavitasyon kabarcıklarının analizi için görmeye dayanan özgün kestirim teknikleri
GÖKHAN ALCAN
Yüksek Lisans
İngilizce
2015
Mekatronik MühendisliğiSabancı ÜniversitesiMekatronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. MUSTAFA ÜNEL