Z grafů je zřejmé, že rychlosti proudění v blízkosti stěny jsou u polykarbonátu s úpravou větší než u polykarbonátu neošetřeného. Zajímavým výsledkem však je, zmíněnými neodfiltrovanými odlesky. Místa se sníženou rychlostí jsou tedy zřejmá nejen na vektorových mapách, ale i v profilech proudění.
0
Vzdálenost od středové osy kanálku [mm]
Cross-corelation
77
8.4 Výpočet středních rychlostí, průtoků a Re čísla
Z profilů proudění lze vyčíst největší naměřenou rychlost proudění. Maximální rychlost se u adaptivního PIV a cross-korelace mírně lišila, proto jsou průměrná rychlost, průtok a Reynoldsovo číslo vypočítány pro obě metody zvlášť. Vše je shrnuto v Tabulkách 3 - 6.
Výpočet střední rychlosti: max * max 23 v v
Výpočet průtoku: QS*vstr, kde S je průřez kanálku (rozměry kanálku: 5×3 mm)
Tabulka 3 Výpočet středních rychlostí, průtoků a Re čísla: polykarbonát bez úpravy, adaptivní PIV
Tabulka 4 Výpočet středních rychlostí, průtoků a Re čísla: polykarbonát bez úpravy, cross-korelace
78
Tabulka 5 Výpočet středních rychlostí, průtoků a Re čísla: polykarbonát s úpravou, adaptivní PIV
Tabulka 6 Výpočet středních rychlostí, průtoků a Re čísla: polykarbonát s úpravou, cross-korelace
Reynoldsovo číslo je u všech stupňů proudění nabývá malých hodnot, proto můžeme proudění považovat za laminární.
8.5 Doba života stopovacích částic
Jelikož má částice větší hustotu než kapalina, je zde potřeba vyřešit otázku, zda je Stokesova síla větší než síla gravitační. Stokesova síla je síla, kterou působí kapalina na stopovací částici. Pro měření byly vybrány částice o velikosti 2 µm.
Gravitační síla: Fg m*g6,2*1014N Stokesova síla: Fst 6***r*v
79
η…………dynamická viskozita prostředí, η = 1,002*10-3 Pa*s r…………..poloměr částice [m], r =1*10-6 m
v…………..rychlost částice [m/s]
Tabulky 7 – 10 shrnují výpočty Stokesovy síly pro všechny stupně proudění.
Hodnoty jsou spočítány jak pro adaptivní PIV, tak pro cross-korelaci.
Tabulka 7 Polykarbonát bez úpravy, adaptivní PIV: Stokesova síla
Polykarbonát bez úpravy
Tabulka 8 Polykarbonát bez úpravy, cross-korelace: Stokesova síla Polykarbonát bez úpravy
80
Tabulka 9 Polykarbonát s úpravou, adaptivní PIV: Stokesova síla Polykarbonát s úpravou
Tabulka 10 Polykarbonát s úpravou, cross-korelace: Stokesova síla Polykarbonát s úpravou
81
9. Měření CA
Pro doplnění informací o vlastnostech materiálů byly naměřeny kontaktní úhly pro polykarbonát a polykarbonát s úpravou. Pro zjištění kontaktního úhlu bylo využito stínové metody. Uspořádání experimentu je zobrazeno na Obrázku 68. Pomocí injekční stříkačky je umístěna na povrch kapka vody. Tato kapka je vyfocena. Pro každý povrch byly tímto způsobem zaznamenány snímky pěti různých kapek. Na Obrázcích 69 a 70 pak můžeme vidět rozdílný tvar kapek na polykarbonátu bez úpravy a s úpravou.
Obrázek 68 Uspořádání - stínová metoda
Obrázek 69 Stínová metoda - polykarbonátu bez úpravy
82
Obrázek 70 Stínová metoda - polykarbonát s úpravou
Pro změření CA bylo využito programu ImageJ a jeho funkce DropSnake.
DropSnake je vhodný pro měření kontaktního úhlu jakéhokoli tvaru kapky, je tedy vhodný i pro osově nesouměrné kapky. Tato funkce umožňuje umístění bodů po obvodu kapky, je nutné vždy začít na rozhraní kapky a povrchu. Z bodů program vypočítá kontaktní úhel jak na levé straně kapky, tak na pravé. Na Obrázcích 71, 72 je vidět výpočet CA pro kapku na povrchu bez úpravy a s úpravou.
Obrázek 71 ImageJ - Polykarbonát bez úpravy
83
Obrázek 72 ImageJ - Polykarbonát s úpravou
V Tabulkách 11, 12 jsou hodnoty kontaktních úhlů ze všech snímků zprůměrovány a je zjištěna hodnota kontaktních úhlů obou materiálů
Tabulka 11 CA - Polykarbonát bez úpravy CA left CA right průměr
Tabulka 12 CA - Polykarbonát s úpravou
CA left CA right Průměr
84
Kontaktní úhel polykarbonátu bez úpravy vyšel na 68°. Polykarbonát s úpravou vyšel na 100°, ačkoli byl očekáván vyšší. Tento povrch byl již testován na jiných materiálech např. textiliích, kde se povrch jevil jako ultrahydrofobní (CA > 150°).
V tomto případě nesmáčivost polykarbonátu také výrazně vzrostla, ale povrch se jevil pouze jako hydrofobní.
85
10. Diskuze
Hlavní překážkou tohoto experimentu byla výroba kanálků. Ačkoli byly připraveny 3 různé metodiky pro jejich výrobu, do finální podoby se podařilo dovést pouze jednu z metodik a to kanálky z polykarbonátu. Metodika výroby kanálků pomocí PDMS se neosvědčila, ale výroba kanálků bondováním je vhodnou technikou pro další testování. Bylo by zde dobré vyřešit problém s odmaštěním, popřípadě vylepšit celý postup. Problém s odmaštěním by mohl být vyřešen roztokem s větší koncentrací kyseliny chlorovodíkové. Tato metodika by se měla stát finální, jednalo by se o mnohem odolnější kanálky z hlediska teploty i tlaku, než jsou kanálky z polykarbonátu. Pokud by bylo potřeba vyšetřovat oblasti proudění v blízkosti povrchů při větších rychlostech proudění, než popisuje tato práce, byly by polykarbonátové
Pokud bychom srovnali CFD matematickou analýzu s reálným experimentem, můžeme konstatovat, že model byl navržen téměř reálně. Rychlosti proudění vypočítané CFD matematickou analýzou vcelku odpovídají rychlostem spočítaným PIV analýzou.
Kvůli problému s výrobou kanálků bylo možné pro vyšetřování oblasti proudění v blízkosti stěny použít pouze 2 druhy kanálků, z toho jeden neošetřený polykarbonát a druhý polykarbonát ošetřený solem AE5. Analýza nám poskytla vektorové mapy a profily proudění. Z těchto výsledků a z výsledků měření kontaktního úhlu je zřejmé, že sol AE5 je povrch zvyšující hydrofobicitu polykarbonátu a zvyšující rychlosti proudění v blízkosti stěny, tudíž by měl snižovat ztráty třením. Hydrofobicita však nebyla zvýšena natolik, aby se jednalo o ultrahydrofobní povrch, jak bylo předpokládáno. Povrch se stal pouze hydrofobním. Sol AE5 by mohl být nadále testován na jiných materiálech.
86
Závěr
Prvním úkolem bylo vyrobit kanálky, kde jeden měl být ošetřen ultrahydrofobním povrchem a druhý ponechán. Výroba kanálků byla nelehkým úkolem, byly vyzkoušeny 3 různé metodiky pro výrobu. První cestu představovala výroba kanálků pomocí PDMS. Tato metoda se neosvědčila, jelikož je časově náročná, práce musí probíhat ve sterilním prostředí, a žádný z pokusů nedopadl podle představ.
Další metodika, která se testovala, byla výroba kanálků lepením polykarbonátových desek. Jedná se o metodiku jednodušší a z hlediska času rychlejší.
Nevýhodou této metodiky je však nízká teplotní a tlaková odolnost. Proto povrstvení vnitřku kanálku musí probíhat při vytvrzovací teplotě 90°C po dobu 3 hodin.
Finální metodikou se měla stát stavba kanálků ze skla. K vyřešení problému teplotní a tlakové odolnosti bylo třeba zajistit „lepení“ sklíček. Zde byla využita metoda bondování křemičitých povrchů se spojovacím materiálem PDMS. Jedná se o spojování křemičitých materiálů s využitím atmosférické plazmy a dotací povrchových chemických skupin kyslíkem. K vytvrzování dochází při teplotě 80°C po dobu 90 min.
Ačkoli se kanálky nepodařilo vyrobit, části vzorků se sbondovat podařilo. Tuto metodiku by bylo vhodné nadále zkoumat a vylepšovat.
Dalším krokem pro studium interakce kapaliny s povrchem byla tvorba přírub, tj. propojení segmentu s fluidickým okruhem. V této fázi bylo využito metody RapidPrototyping a pomocí 3D tisku bylo zajištěno zpracování navržených přechodek z obdélníkového průřezu na kruhový. Příruba byla zároveň navržena tak, aby umožnila dokonalé utěsnění přechodu.
Před samotným měřením jsem byla seznámena s funkcí mikroskopu a vizualizačními možnostmi osvětlení. Díky tomu bylo možné zajistit správnou konfiguraci, která vedla k optimálním výsledkům. Data naměřená metodou µPIV byla zpracována statisticky a analyzována programem DynamicStudio.
Současně s povrstvením vyrobených testovacích segmentů byly připraveny i další přípravky, tj. UH povrchem ošetřené desky pro makroskopické vyhodnocení interakce kapaliny s povrchem.
87
Díky měření metodou microPIV bylo umožněno sledovat interakci kapaliny s povrchem ve vzdálenosti setin milimetrů od stěny kanálku. V současnosti neexistuje žádná jiná metoda, která by dokázala sledovat rychlosti proudění v bezprostřední blízkosti stěny, tak jako microPIV. Na výsledcích je zřetelně viditelný rozdíl mezi prouděním v blízkosti neupraveného polykarbonátu a polykarbonátu s úpravou.
Práce přináší komplexní informaci o vybraných 2 materiálech: jeden je neošetřený polykarbonát, druhý je polykarbonát ošetřený solem AE5. Dále pak ukazuje srovnávací studii těchto materiálů. Nad rámec zadání je práce doplněna o informaci z měření metodou statistického kontaktního úhlu. Ačkoli bylo předpokládáno, že sol AE5 se bude chovat jako UH povrch, výsledky ukazují, že polykarbonát s touto úpravou je povrchem hydrofobním.
88
Seznam literatury
[1] KOPECKÝ, Václav. Laserová anemometrie v mechanice tekutin. 1. vydání.
Brno: Tribun EU, 2008. ISBN 978-80-7399-357-3.
[2] RAFFEL, M, Christian E. WILLERT, Steve T. WERELEY,
Jürgen KOMPENHANS. Particle image velocimetry: a practical guide.
2nd ed. Berlin: Springer, 2007,448 s. ISBN 978-3-540-72307-3
[3] LOUTOCKÝ, Petr. Moderní laserové metody měření rychlosti proudění.
Vysoké učení technické v Brně, [online] 2011 [cit. 2014-05-06] Dostupné z:
https://dspace.vutbr.cz/xmlui/bitstream/handle/11012/17797/bp_loutocky_e.pdf?sequen ce=1
[4] Micro-PIV principle. Fakultet for ingeniørvitenskap og teknologi [online]
[cit. 2014-05-04]. Dostupné z:
http://www.ivt.ntnu.no/ept/microfluidics/Micro-PIV%20principle.pps [5] PAVLÍK, Dušan. MĚŘENÍ SPEKTRÁLNÍCH CHARAKTERISTIK
FLUORESCENČNÍCH NAPĚŤOVĚ-CITLIVÝCH BARVIV. Bakalářská práce.
Vedoucí práce prof. Ing. IVO PROVAZNÍK, Ph.D.
Vysoké učení technické v Brně, [online] 2009 [cit. 2014-05-06]. Dostupné z:
http://www.vutbr.cz/www_base/zav_prace_soubor_verejne.php?file_id=15609.
[6] Leica DM ILM Inverted Microscope for Material Control. Home Microscopy: Leica Microsystems. [online]. © 2015 [cit. 2015-05-03]. Dostupné z:
http://www.leica -microsystems.com/fileadmin/downloads/Leica%20DM%20ILM/Broc hures/Leica_DM_ILM-Brochure_en.pdf
[7] Led Illumination. UNITRON . [online]. © 2015 [cit. 2015-06-03]. Dostupné z:
http://www.unitronusa.com/products/led-illumination
[8] HAGER, Willi H. Losses in Flow. Wastewater Hydraulics [online]. Berlin, Heidelberg: Springer Berlin Heidelberg, 2010, s. 17 [cit. 2014-04-10].
DOI: 10.1007/978-3-642-11383-3_2.
Dostupné z: http://link.springer.com/10.1007/978-3-642-11383-3_2
89
[9] Hydraulický výpočet potrubních sítí teplovodních otopných soustav.
Vysoké učení technické v Brně. [online]. [cit. 2014-04-20]. Dostupné z:
http://www.fce.vutbr.cz/TZB/treuova.l/ST51/5_dimenzovani_potrubi.pdf
[10] PLÁŠEK, Josef. Stanovení součinitele tření. Vysoké učení technické v Brně [online]. 2008 [cit. 2014-04-26]. Dostupné z:
http://www.fce.vutbr.cz/veda/juniorstav2008_sekce/pdf/1_4/Plasek_Josef_CL.pdf [11] REICHL, Jaroslav a Martin VŠETIČKA. Reynoldsovo číslo. Encyklopedie fyziky [online]. 28. 2. 2008 [cit. 2014-04-10]. Dostupné z:
http://fyzika.jreichl.com/main.article/view/555-reynoldsovo-cislo
[12] ŠKORPÍK. Jiří. Vznik tlakové ztráty při proudění tekutiny. TRANSFORMAČNÍ TECHNOLOGIE. [online]. 2015-04 [cit. 2015-19-03]. Dostupné z:
http://www.transformacni-technologie.cz/vznik-tlakove-ztraty-pri-proudeni-tekutiny.html
[13] Moderní plazmo-chemické postupy pro konzervování-restaurování předmětů kulturního dědictví. Přírodovědecká fakulta Masarykovy univerzity. [online]. © 2011 [cit. 2015-25-03]. Dostupné z:
http://www.sci.muni.cz/chemsekce/frvs2011/pdf/plazma.pdf
[14] Úhel Smáčení. Vydavatelství VŠCHT Praha. [online]. [2012] [cit. 2015-25-03].
Dostupné z: http://vydavatelstvi.vscht.cz/knihy/uid_es-001/hesla/uhel_smaceni.html [15] Youngova rovnice. Vydavatelství VŠCHT Praha. [online]. [2012]
[cit. 2015-02-04]. Dostupné z:
http://vydavatelstvi.vscht.cz/knihy/uid_es-001/hesla/youngova_rovnice.html [16] VIKOVÁ, M. Youngova rovnice. LCAM DTM FT TU Liberec [online].
[cit. 2014-02-14] Dostupné z:
http://www.ft.tul.cz/depart/ktc/include/osobni_stranky/vikova.martina/teaching/9smac1.
[17] JAŠÍKOVÁ, Darina, Daniel HANCIL a Václav KOPECKÝ. Drop movement analysis oninclined surface for the adhesion coefficient determination. Department of Physical Measurement. Technical University of Liberec. The Institute for Nanomaterials. Advanced Technology and Innovation.
90
[18]JØRGENSEN, Finn E. How to measure turbulence with hot-wire anemometers.
P.M.V Subbarao. [online]. 2002-02-01 [cit. 2015-15-04]. Dostupné z:
http://web.iitd.ac.in/~pmvs/courses/mel705/hotwire2.pdf
91
Seznam obrázků
Obrázek 1 Plně promodelovaný signál [1] ... 14 Obrázek 2 Nepromodelovaný signál [1] ... 15 Obrázek 3 Kontinuální laser - přerušování paprsku elektrooptickou závěrkou [1] ... 16 Obrázek 4 Kontinuální laser- rozmítání paprsku rotujícím polygonovým zrcadlem [1] 16 Obrázek 5 Nd:YAG laser [1] ... 17 Obrázek 6 Režim Q-spínání [1] ... 17 Obrázek 7 CCD čip [1] ... 19 Obrázek 8 Schéma záznamu PIV obrazu [1] ... 20 Obrázek 9 Vyhodnocované oblasti [1] ... 21 Obrázek 10 Vyhodnocení rychlosti proudění [1] ... 22 Obrázek 11 Vzájemná korelace [1] ... 22 Obrázek 12 Autokorelace [1] ... 23 Obrázek 13 Numerické zpracování PIV obrazu [1] ... 24 Obrázek 14 Adaptivní korelace [1] ... 28 Obrázek 15 MicroPIV systém: pulsní laser k osvětlení proudících částic o velikosti 200 nm, CCD kamera k záznamu obrazu částic [2] ... 30 Obrázek 16 Excitační a fluorescenční spektrum částic [5] ... 31 Obrázek 17 Závislost tvaru emisního spektra na vlnové délce excitačního záření [5] ... 31 Obrázek 18 MicroPIV princip [4] ... 32 Obrázek 19 Statistické vyhodnocení - korelace [4] ... 33 Obrázek 20 Mikroskop Leica DM ILM [6] ... 34 Obrázek 21 Objektivy [6] ... 34 Obrázek 22 Mikroskop - očnice, připojení pro kameru [6] ... 35 Obrázek 23 Moodyho diagram udávající závislost součinitele tření a Reynoldsova čísla [10] ... 39 Obrázek 24 Rovnováha na rozhraní tří fází [15] ... 42 Obrázek 25 Wenzelova teorie [13] ... 42 Obrázek 26 Cassieho hypotéza [13] ... 43 Obrázek 27 Hydrofobní povrchy se skleněnými hranoly zalité v PDMS ... 46 Obrázek 28 Nákres kanálku z polykarbonátu ... 47 Obrázek 29 Kanálek - polykarbonát ... 47 Obrázek 30 Příruba - nákres 1 ... 48 Obrázek 31 Příruba - nákres 2 ... 48 Obrázek 32 Schéma průběhu bondování ... 50 Obrázek 33 Autodesk Invertor/Simulation ... 52 Obrázek 34 Počáteční a okrajové podmínky ... 53 Obrázek 35 Řez rovinou XY: rychlost proudění ... 53 Obrázek 36 CFD matematická analýza: rychlost proudění, st10 ... 53 Obrázek 37 Řez rovinou XY: tlaky ... 54 Obrázek 38 CFD matematická analýza: tlaky, st10 ... 54 Obrázek 39 Vodní trať ... 56 Obrázek 40 Schéma zapojení měřicího aparátu ... 57 Obrázek 41 Měřící rovina ... 57
92
Obrázek 42 Kalibrační terčík: vlevo – nezkreslený, vpravo – zkreslený objektivem .... 60
Obrázek 43 Schéma analýzy dat ... 62
Obrázek 44 Vektorová mapa - povrch bez úpravy, st10, adaptivní PIV ... 63
Obrázek 45 Vektorová mapa - povrch s úpravou, st10, adaptivní PIV ... 63
Obrázek 46 Vektorová mapa - povrch bez úpravy, st100, adaptivní PIV ... 64
Obrázek 47 Vektorová mapa - povrch s úpravou, st100, adaptivní PIV ... 64
Obrázek 48 Vektorová mapa - povrch bez úpravy, st300, adaptivní PIV ... 65
Obrázek 49 Vektorová mapa - povrch s úpravou, st300, adaptivní PIV ... 65
Obrázek 50 Vektorová mapa - povrch bez úpravy, st500, adaptivní PIV ... 66
Obrázek 51 Vektorová mapa - povrch s úpravou, st500, adaptivní PIV ... 66
Obrázek 52 Vektorová mapa - povrch bez úpravy, st700, adaptivní PIV ... 67
Obrázek 53 Vektorová mapa - povrch s úpravou, st700, adaptivní PIV ... 67
Obrázek 54 Vektorová mapa - povrch bez úpravy, st900, adaptivní PIV ... 68
Obrázek 55 Vektorová mapa - povrch s úpravou, st900, adaptivní PIV ... 68
Obrázek 56 Vektorová mapa - povrch bez úpravy, st10, cross-korelace... 69
Obrázek 57 Vektorová mapa - povrch s úpravou, st10, cross-korelace... 69
Obrázek 58 Vektorová mapa - povrch bez úpravy, st100, cross-korelace... 70
Obrázek 59 Vektorová mapa - povrch s úpravou, st100, cross-korelace... 70
Obrázek 60 Vektorová mapa - povrch bez úpravy, st300, cross-korelace... 71
Obrázek 61 Vektorová mapa - povrch s úpravou, st300, cross-korelace... 71
Obrázek 62 Vektorová mapa - povrch bez úpravy, st500, cross-korelace... 72
Obrázek 63 Vektorová mapa - povrch s úpravou, st500, cross-korelace... 72
Obrázek 64 Vektorová mapa - povrch bez úpravy, st700, cross-korelace... 73
Obrázek 65 Vektorová mapa - povrch s úpravou, st700, cross-korelace... 73
Obrázek 66 Vektorová mapa - povrch bez úpravy, st900, cross-korelace... 74
Obrázek 67 Vektorová mapa - povrch s úpravou, st900, cross-korelace... 74
Obrázek 68 Uspořádání - stínová metoda ... 81
Obrázek 69 Stínová metoda - polykarbonátu bez úpravy ... 81
Obrázek 70 Stínová metoda - polykarbonát s úpravou ... 82
Obrázek 71 ImageJ - Polykarbonát bez úpravy ... 82
Obrázek 72 ImageJ - Polykarbonát s úpravou ... 83
93
Seznam tabulek a grafů
Tabulka 1 Suroviny pro výrobu solu AE5 ... 51
Tabulka 2 Simulace: rychlosti proudění, tlaky ... 55
Tabulka 3 Výpočet středních rychlostí, průtoků a Re čísla: polykarbonát bez úpravy, adaptivní PIV ... 77
Tabulka 4 Výpočet středních rychlostí, průtoků a Re čísla: polykarbonát bez úpravy, cross-korelace ... 77
Tabulka 5 Výpočet středních rychlostí, průtoků a Re čísla: polykarbonát s úpravou, adaptivní PIV ... 78
Tabulka 6 Výpočet středních rychlostí, průtoků a Re čísla: polykarbonát s úpravou, cross-korelace ... 78
Tabulka 7 Polykarbonát bez úpravy, adaptivní PIV: Stokesova síla ... 79
Tabulka 8 Polykarbonát bez úpravy, cross-korelace: Stokesova síla ... 79
Tabulka 9 Polykarbonát s úpravou, adaptivní PIV: Stokesova síla ... 80
Tabulka 10 Polykarbonát s úpravou, cross-korelace: Stokesova síla ... 80
Tabulka 11 CA - Polykarbonát bez úpravy ... 83
Tabulka 12 CA - Polykarbonát s úpravou ... 83
Graf 1 Profily proudění - st700/st900, adaptivní PIV ... 75
Graf 2 Profily proudění – st700/st900, cross-korelace ... 76
94
Seznam příloh
Příloha 1 Inverzní mikroskop Leica DM ILM – datasheet ... 95 Příloha 2 Hisence Neo kamera – datasheet ... 104 Příloha 3 Dantec Dynamics – PIV ... 107
95
Příloha 1 Inverzní mikroskop Leica DM ILM – datasheet
96
97
98
99
100
101
102
103
104 Příloha 2 Hisence Neo kamera – datasheet
105
106
107 Příloha 3 Dantec Dynamics – PIV
108
109
110
111 1