Kavitace v mikrofluidice

Abstract

Mikrofluidice byla v posledních letech věnována intenzivní pozornost výzkumnými týmy takřka po celém světě. Její možné aplikace jsou velmi početné, zejména pak v oblasti zdravotnictví, ukládání energie do baterií nebo chlazení vysoce výkonných počítačů. Bakalářská práce „Kavitace v mikrofluidice“ se zabývá kavitací na mikro-měřítku. Nedávný výzkum ukazuje, že mnohé charakteristiky kavitujícího proudění na takto malých rozměrech se podstatně liší oproti charakteristikám pozorovaným na konvenčních makro-rozměrech. Toto podtrhuje relevantnost této práce. Lepší pochopení tohoto jevu může být využito například k řešení jednoho ze značných úskalí mikrofluidiky a to sice mísení tekutin, nebo dále také k jejich pumpování. Mezi další možné aplikace se řadí mechanické namáhání a rozklad mikroorganismů a buněk, katalýza chemických reakcí a cílená doprava léčiv. První část této práce je věnována postupně základům z oblasti mechaniky tekutin a chemie kavitace. Tato část je následována stručným přehledem aplikací kavitace a to jak na měřítkách tradičních, tak na měřítkách v řádech mikrometrů. Poté je uveden popis numerického řešení kavitujícího proudění spolu s analýzou a ověřením získaných výsledků. Mezi výsledky je například popis rozložení fází, informace o tom, kde dochází k recirkulaci a také přehled vlivu změny kavitačního čísla na tvar a charakteristiky proudění. V závěrečné části práce je pak na základě získaných znalostí navržen experiment, který umožní dále studovat tuto problematiku a poslouží také k vyhodnocení vhodnosti laminárního modelu. Tato bakalářská práce slouží jako základní kámen pro další výzkum v této oblasti plánovaný na Vysokém učením technickém v Brně, a z tohoto důvodu jsou v textu uvedena doporučení pro další práci.

Microfluidics has recently gained attention of numerous research groups. Its applications are manifold and could potentially bring about significant advances in several fields including healthcare, battery energy storage and high-performance computing. The thesis “Cavitation in Microfluidics” deals with cavitation at the microscale level. Its relevance to the up-to-date research is emphasized by recent studies which show that various aspects of cavitating flows observed at microscale often differ from their macroscale counterparts. Better understanding of this phenomenon can be directed towards addressing crucial challenges of microfluidics including fluid mixing and pumping. Cell stretching and lysis, chemical catalysis and targeted drug delivery count among other possible applications. The first part of this work deals in turn with fluid mechanics and chemistry fundamentals of cavitation. This is followed by concise overview of its conventional as well as microscale applications. Finally, numerical flow simulations of cavitating flow in two distinct domains are presented together with results analysis and validation. The results include distribution of phases, report on areas of recirculation and influence of changing cavitation number on flow variables. Based on this, an experiment enabling accurate investigation of flow characteristics is proposed. This will enable to draw parallels between the experimental and numerical investigations and allow for evaluation of the suitability of laminar model. This thesis lays foundation for future work on the topic planned at Brno University of Technology, hence recommendations for prospective endeavors are included.