Μελέτη της κατακόρυφης ανοδικής ομορροής με φυσαλίδες ενός μη Νευτωνικού υγρού που προσομοιάζει τις φυσικές ιδιότητες του ανθρώπινου αίματος
Creators: name: Γκότσης, Πέτρος Κ.
Publisher: name: Aristotle University of Thessaloniki
Year: 2013
Subjects: Διφασική ροή
Μη Νευτωνικά υγρά
Συσσωματώματα φυσαλίδων
Two-phase flow
Non-Newtonian liquids
Bubble clusters

description: Σκοπός της παρούσας εργασίας είναι η μελέτη της κατακόρυφης ανοδικής ομορροής με φυσαλίδες ενός μη Νευτωνικού υγρού που προσομοιάζει τις φυσικές ιδιότητες του ανθρώπινου αίματος. Η εργασία αποτελεί συνέχεια της Διδακτορικής Διατριβής του Ευγενίδη (2010) ο οποίος ασχολήθηκε με την ανάπτυξη μια πρωτότυπης αγωγιμομετρικής τεχνικής για την ανίχνευση και το χαρακτηρισμό φυσαλίδων στη ροή του ανθρώπινου αίματος κατά την εμφάνιση της Νόσου Αποσυμπίεσης. Με την παρούσα εργασία επιχειρείται η επέκταση της γνώσης που αποκτήθηκε χρησιμοποιώντας αυτή τη φορά ένα μη Νευτωνικό υγρό για την ορθότερη προσομοίωση της ρεολογικής συμπεριφοράς του αίματος. Αρχικά πραγματοποιήθηκαν δοκιμές με σκοπό τον προσδιορισμό της σύστασης ενός μη Νευτωνικού υδατικού διαλύματος που προσομοιάζει κατάλληλα τις φυσικές ιδιότητες του ανθρώπινου αίματος (καμπύλη ιξώδους, pH, ειδική ηλεκτρική αγωγιμότητα). Προέκυψε η σύσταση του διαλύματος: νερό/γλυκερίνη 65/35 % v/v, NaCl 0.9 % w/v και ξανθάνη 150 ppm (στο μίγμα). Ακολούθησαν οι βασικές πειραματικές μετρήσεις εντός κατακόρυφου αγωγού εσωτερικής διαμέτρου 21 mm (ίση με τη διάμετρο της ανθρώπινης κοίλης φλέβας) σε ειδικά διαμορφωμένη διάταξη που επέτρεπε τη δημιουργία διφασικής ροής υγρού με φυσαλίδες με ταυτόχρονη ρύθμιση και καταγραφή πολλών παραμέτρων της ροής. Για τη μελέτη της διφασικής ροής εφαρμόστηκαν μια υπερ-ευαίσθητη αγωγιμομετρική τεχνική με τη χρήση εντοιχισμένων δακτυλιοειδών, μη παρεμβατικών ηλεκτροδίων (Ευγενίδης, 2010) για τον υπολογισμό του κλάσματος κενού και μια οπτική τεχνική για την εκτίμηση της κατανομής μεγέθους φυσαλίδων. Οι μετρήσεις έγιναν σε συγκεκριμένες θέσεις καθ’ ύψος στον αγωγό: 2 cm, 22 cm, 62 cm, 109 cm και 179 cm απο το σημείο τροφοδοσίας του αερίου στο κάτω μέρος του αγωγού αναφορικά με την οπτική τεχνική και 58 cm αντίστοιχα με την αγωγιμομετρική τεχνική. Ως αέριο χρησιμοποιήθηκε ήλιο για λόγους χαμηλής διαλυτότητας στο νερό. Τα πειράματα έγιναν σε θερμοκρασία 37 oC. Οι παράμετροι που μελετήθηκαν είναι οι ακόλουθες: • Παροχή υγρού. Εξετάστηκαν τιμές που αντιστοιχούν στις συνήθεις ταχύτητες του ανθρώπινου κυκλοφορικού συστήματος αίματος. • Παροχή αερίου. Εξετάστηκαν κλάσματα κενού και μεγέθη φυσαλίδων που αντιστοιχούν σε συνθήκες κατά τη σοβαρή εκδήλωση της Νόσου Αποσυμπίεσης. • Προσθήκη Triton X-100. Εξετάστηκε η επίδραση της προσθήκης επιφανειοδραστικής ουσίας Triton X-100 0.01 % w/w στο μέγεθος των φυσαλίδων. • Συγκέντρωση ξανθάνης. Εξετάστηκε η επίδραση της προσθήκης ξανθάνης 150 ppm και 1000 ppm στο μητρικό διάλυμα (νερό/γλυκερίνη με χλωριούχο νάτριο). Η απουσία ξανθάνης παραπέμπει σε Νευτωνικό διάλυμα αλλά καθώς η συγκέντρωση της ξανθάνης αυξάνει εκτός απο το ότι αυξάνεται δραματικά το ιξώδες του διαλύματος προσδίδεται ολοένα και πιο έντονα μη Νευτωνικός χαρακτήρας. Από τις οπτικές μετρήσεις προέκυψε πως υπάρχει ακτινική ομοιομορφία της κατανομής μεγέθους φυσαλίδων εντός της διατομής του αγωγού στα ύψη όπου έγιναν παρατηρήσεις. Τα μεγέθη φυσαλίδων ελαττώνονται με την αύξηση της παροχής υγρού και την προσθήκη Triton X-100. Αντίθετα, η αύξηση της παροχής αερίου και της συγκέντρωσης ξανθάνης μεγαλώνει τις φυσαλίδες. Οι αγωγιμομετρικές μετρήσεις έδειξαν ότι το κλάσμα κενού αυξάνεται με την αύξηση της παροχής αερίου και την προσθήκη επιφανειοδραστικής ουσίας, ενώ αντίθετα ελαττώνεται με την αύξηση της παροχής υγρού και της συγκέντρωσης ξανθάνης. Οι διακυμάνσεις του κλάσματος κενού γύρω από τη μέση τιμή εξαρτώνται από το μέγεθος των φυσαλίδων. Μεγαλύτερες φυσαλίδες προκαλούν εντονότερες διακυμάνσεις. Η συγκεκριμένη παρατήρηση επιβεβαιώνεται και από τη φασματική ανάλυση των χρονοσειρών του κλάσματος κενού, όπου φαίνεται ότι οι μεγαλύτερες φυσαλίδες προκαλούν εντονότερα συχνοτικά φαινόμενα. Ξεχωριστό ενδιαφέρον παρουσιάζουν τα ογκώδη συσσωματώματα φυσαλίδων που κάνουν την εμφάνιση τους με την προσθήκη 1000 ppm ξανθάνης και τα οποία ανιχνεύονται με την αγωγιμομετρική τεχνική ως έντονες κορυφές στις χρονοσειρές κλάσματος κενού. Τα συσσωματώματα παρουσιάζουν δυναμική δομή καθ’ ύψος και το μέγεθος τους αυξάνει με την αύξηση της παροχής αερίου και τη προσθήκη επιφανειοδραστικής ουσίας, κάτι που επαληθεύεται και από την ανάλυση των κορυφών των αγωγιμομετρικών σημάτων.
description: Αγγλική Περίληψη The objective of the present work is the study of co-current upward bubbly flow of a non-Newtonian liquid which simulates human blood’s physical properties. This study is a complementary work to PhD Thesis of Evgenidis (2010) that dealt with the development of a novel conductance technique for bubbles detection and characterization in human bloodstream during Decompression Sickness (DCS). The present work is an attempt to extend the knowledge acquired by Evgenidis (2010) employing a non-Newtonian liquid in order to simulate better human blood’s rheological behavior. Preliminary tests were conducted aiming to determine the composition of a non-Newtonian solution that simulates properly human blood’s physical properties (viscosity curve, pH, electrical conductivity). The composition of the solution is: water/glycerol 65/35 % v/v, NaCl 0.9 % w/v and xanthan gum 150 ppm. Experimental measurements were conducted inside a vertical tube (i.d. 21 mm, equal to the diameter of the human vena cava) in a specially designed flow loop that is capable of generating two-phase bubbly flow and at the same time allowing the control and recording of many flow parameters. The study of two-phase flow characteristics took place by means of an ultra-sensitive electrical conductance technique applying flush-mounted, non-intrusive ring electrodes for volumetric gas fraction estimation and an optical technique for bubble size distribution estimation. Measurements were performed at specific measuring stations along the height of the tube: 2 cm, 22 cm, 62 cm, 109 cm and 179 cm from the feed point of the gas at the bottom of the tube for the optical technique and 58 cm respectively for the electrical conductance technique. Helium was used as test gas based on its low solubility in water. The parameters studied were: • Liquid flow rate. The examined liquid flow rates are equivalent to those of human blood circulation. • Gas flow rate. Provided gas fraction values and bubble sizes that correspond to conditions during a severe incident of Decompression Sickness. • Surface tension. The effect of Triton X-100 addition (0.01 % w/w) on bubble size was examined. • Xanthan gum concentration. The effect of xanthan gum addition (150 ppm and 1000 ppm) on the primary liquid (water/glycerol with sodium chloride) was examined. The absence of xanthan gum implies a Newtonian solution but as xanthan gum concentration increases both the viscosity is dramatically increased and the non-Newtonian character of the solution is reinforced. Optical measurements showed that bubble size distribution is radially uniform inside the cross section of the tube at the specific heights of observations. Bubble size decreases with increasing liquid flow rate and the addition of surface agent Triton X-100. Contrarily, bubble size increases with the increase of gas flow rate and xanthan gum concentration. Conductance measurements showed that the gas fraction increases with the increase of gas flow rate and the addition of surface agent, while it decreases with the increase of liquid flow rate and xanthan gum concentration. Gas fraction fluctuations around its mean value depend on bubble size. Large bubbles induce more intense fluctuations. This is most clearly reflected in the FFT spectral analysis of the gas fraction time series, where large bubbles seem to induce more intense frequency variations. It is of particular interest that voluminous bubble clusters are optically observed when 1000 ppm of Xanthan gum is added in the liquid. These clusters are sensed by the conductance technique as intense fluctuations in the gas fraction signals. Bubble clusters appear to have a dynamic structure as they ascend in the tube and their size increases with the increase of gas flow rate and the addition of surface agent, which is also witnessed by the conductance signal analysis.