Sekundarni povzetek: |
Glavni namen disertacije je razviti eksperimentalno verifician model računalniške dinamike tekočin (RDT) mikronskega kapljevitega curka, proizvedenega s pomočjo brizgane plinsko dinamične virtualne šobe (PDVŠ). V takšnih šobah kapljeviti curki učinkovito usmerjeno prenašajo maso in gibalno količino. Proizvedeni so s pomočjo inteligentnega projiciranja hidrodinamskega osredotočnega efekta sotočnega plina z veliko hitrostjo in nižjo viskoznostjo in gostoto na tok kapljevine iz dovodne kapilare. Kapljeviti mikro-curki se uporabljajo za dostavo kristalnih proteinskih vzorcev v žarek trde rentgenske svetlobe v serijskih femtosekundnih kristalografskih eksperimentih. Tu so uklonjeni rentgenski žarki na proteinskih kristalih v mikro curku posneti tik preden pride do njihovega uničenja. Vzorci so dragoceni in jih je težko izdelati, zato je potrebno temeljito poznavanje delovanja mikro curkov, ki so uporabljeni za njihovo dostavo. Karakteristike curka so analizirane kot funkcije procesnih parametrov, geometrije ter snovnih lastnosti.
Fizikalni model je opisan s formulacijo mešanice in Navier-Stokesovimi enačbami za Newtonske, dvo-fazne, neustaljene, stisljive tokove. Problem večfaznega toka je rešen z metodo končnih volumnov (MKV), kjer je stik med tekočinama opisan z metodo prostornin tekočin (MPT). Implementacija MKV-MPT RDT modela je na voljo v prostokodnih programih OpenFOAM in Gerris. Pravilno delovanje programov je potrjeno s serijo standardnih testnih primerov za advekcijski in večfazni tok. Oba programa sta med seboj primerjana glede na možnosti pravilnega popisa PDVŠ. Zaradi stisljive narave usmerjevalnega plina je bil za simulacije PDVŠ izbran program OpenFOAM, ker Gerris nima te možnosti.
Konstante efektivne snovne lastnosti so uporabljene v fazah, skupaj z idealnim plinskim zakonom. Model mešanice dvofaznega sistema je rešen v osni simetriji. Diskretizacija šobe in komore zahteva približno 300 000 končnih volumnov. Mrežno neodvisni rezultati so doseženi s kontrolnimi volumni velikost 0,25 µm v bližini curka in kapljic. Rezultati simulacij so primerjani z eksperimentalnimi rezultati glede na debelino in dolžino curka destilirane vode, usmerjenega s helijem, ki se stekata v nizkotlačno komoro pod pritiskom 150 Pa. Reynoldsovo število kapljevine je v območju 418-3828, plina pa 17-1222, medtem ko se Webrovo število giblje v območju 3-353. Opaženo je dokaj dobro ujemanje z eksperimentalnimi podatki ter velikostno analizo za območje nikoli prej obravnavanih parametrov delovanja šob.
Nato je bila izvedena numerična študija vpliva različnih geometrij šobe na stabilnost, obliko in karakteristiko toka mikronskega kapljevitega curka. Značilnosti curka so opisane kot funkcija (i) razdalje med kapilaro in odprtino, (ii) premera izhodne odprtine šobe, (iii) kota dovodne kapilare kapljevine. Opravljena je bila raziskava za dve različni vrednosti volumskega pretoka tekočine, pri čemer je masni pretok plina ostal nespremenjen. Opaženo je bilo, da za vsako vrednost razdalje od kapilare do odprtine šobe ter za vsako vrednost premera odprtine šobe, obstaja minimalna vrednost volumskega pretoka kapljevine, izpod katere ni mogoče doseči stabilnega curka. Ugotovitve kažejo, da spremembe premera izhodne odprtine šobe najbolj vplivajo na premer, dolžino in hitrost curka, medtem ko sprememba kota dovodne kapilare nima opaznega vpliva na značilnosti curka. Sprememba dolžine razdalje med dovodno kapilaro ter izhodno odprtino šobe ne vpliva na tokovno polje okoli mirko-curka, zatorej sta stabilnost in oblika odvisni le od interakcije med tekočino in plinom v bližini meniskusa.
Enak numerični model je uporabljem za dodatno analizo delovanja curka zaradi vpliva usmerjevalnih plinov argon, ogljikov dioksid in dušik. Študija kaže, da lahko z uporabo helijevega plina dosežemo dvojno dolžino curka v primerjavi s preostalimi plini, seveda pri istem masnem pretoku. Curek usmerjen s helijem je tudi tanjši, hitrejši in zanimivo, ne kaže znatnega padca temperature na izhodu iz šobe.
To delo prvič obravnava računalniški model brizganih mikronskih šob in podaja pomembne informacije za njihovo nadaljnje projektiranje. |