Ανάπτυξη ηλεκτρικής τεχνικής για την ανίχνευση και χαρακτηρισμό φυσαλίδων σε ροή υγρών

Abstract

The scope of this Ph.D. is the development of an innovative electrical conductance technique for bubbles detection and characterization in bubbly flow inside a pipe and inside the veins of experimental animals (swines). Βubbly flow is common in numerous applications and is also present in blood circulation of humans as a symptom of decompression sickness. The validation and calibration of the conductance technique was based on a detailed characterization of features of vertical co-current upward bubbly flow. To achieve this task, a few other established techniques have been employed: differential pressure technique and electrical resistance tomography for the determination of gas fraction (ε), microphotography for the estimation of bubble size distribution and acoustic spectroscopy for the estimation of both ε and bubble size distribution. In vitro experiments were conducted inside a vertical Plexiglas pipe which is part of a special setup capable of generating bubbly flow. Conductance measurements were conducted using ring electrodes flush mounted to the circumference of the pipe wall. Two test liquids were examined: a dilute aqueous solution of NaCl (W/NaCl) and a mixture of water, glycerol and NaCl (G/W/NaCl) that simulates the main properties of human blood. Two different concentrations of the surface active agent SDS were employed in order to create two distinct bubble size distributions. In vitro measurements showed that the developed conductance technique is capable of successfully detecting bubbles with diameter between 30 and 1000 μm in both steady and pulsatile liquid flow with exceptionally high resolution. Βubble size fluctuations were associated with fluctuations of ε around its mean value. This was most clearly reflected in the frequencies detected by FFT spectral analysis. For the test liquid W/NaCl, it was possible to correlate the mean bubble diameter with the initial slope of the FFT spectrum. In addition, the conductance technique had the necessary sensitivity to detect bubble sizes down to 30 μm inside a mimicking tissue and a swine vein. Microphotographs taken demonstrated that bubble sizes were decreasing with increasing the concentration of the surface active agent and electrolyte. The same was found with increasing the liquid flow rate. On the other hand, increasing the gas flow rate was leading to larger bubble sizes. Gas fraction was rising with increasing the surface active agent concentration and the gas flow rate, but was decreasing with the increase of liquid flow rate. In the case of small bubbles (high SDS concentration) in the test liquid W/NaCl, the homogeneous flow model was found to successfully predict the experimental values of ε. In the case of large bubbles (low SDS concentration), ‘drift-flux’ model using values for C₀ (distribution parameter) and Vd (drift velocity) given by Hibiki & Ishii (2002), predicted ε values which agree with the experimental ones only for the highest liquid flow rates. On the other hand, employing experimental Vd values or calculated values by King (2001) (ε>~0.03) and Rodrigue (2001) (ε<~0.02) equations with a C₀ value of 1±0.1 has led to a good agreement between predicted and measured ε values.

Στόχος της διατριβής είναι η ανάπτυξη μιας πρωτότυπης αγωγιμομετρικής τεχνικής για την ανίχνευση και χαρακτηρισμό φυσαλίδων σε διφασική ροή εντός αγωγού και σε ροή αίματος σε φλέβες πειραματόζωων (χοίρων). Η διφασική ροή υγρού-αερίου βρίσκει πλήθος εφαρμογών στη βιομηχανία, αλλά εμφανίζεται επίσης στην κυκλοφορία του αίματος του ανθρώπινου οργανισμού ως σύμπτωμα της νόσου αποσυμπίεσης. Για τη βαθμονόμηση της αγωγιμομετρικής τεχνικής στα in vitro πειράματα, αλλά και για τη μελέτη της κατακόρυφης ανοδικής ομορροής με φυσαλίδες, χρησιμοποιήθηκαν: τεχνική διαφορικής πίεσης και τομογραφίας ηλεκτρικής αντίστασης για τον προσδιορισμό του κλάσματος κενού (αερίου) ε, απευθείας οπτική καταγραφή για την εκτίμηση της κατανομής μεγέθους φυσαλίδων και τεχνική ακουστικής φασματοσκοπίας για την εύρεση τόσο του ε, όσο και του μεγέθους φυσαλίδων. Τα in vitro πειράματα έγιναν εντός κατακόρυφου αγωγού εσωτερικής διαμέτρου 21mm σε ειδικά διαμορφωμένη διάταξη για την παραγωγή διφασικής ροής υγρού με φυσαλίδες. Για τις αγωγιμομετρικές μετρήσεις χρησιμοποιήθηκαν εντοιχισμένα δακτυλιοειδή μη-παρεμβατικά ηλεκτρόδια. Μελετήθηκαν κυρίως δύο υγρά: ένα αραιό υδατικό διάλυμα NaCl (W/NaCl) και ένα μίγμα νερού, γλυκερίνης και NaCl (G/W/NaCl) που προσομοιάζει τις βασικές ιδιότητες του ανθρώπινου αίματος. Για τη δημιουργία μικρών φυσαλίδων διαφορετικού μεγέθους χρησιμοποιήθηκε επιφανειοδραστική ουσία SDS σε δύο συγκεντρώσεις. Οι in vitro μετρήσεις έδειξαν πως η αγωγιμομετρική τεχνική ανιχνεύει επιτυχώς την παρουσία φυσαλίδων τόσο για σταθερή όσο και για παλμική ροή υγρού σε όλο το εύρος από 30 μέχρι 1000 μm, με ιδιαίτερα υψηλή διακριτική ικανότητα αφού ανιχνεύονται μεταβολές του ε της τάξης του 0.00001. Παρατηρήθηκε ότι οι διακυμάνσεις του μεγέθους φυσαλίδων γύρω από τη μέση διάμετρο τους καθορίζουν τις διακυμάνσεις του ε γύρω από τη μέση τιμή του καθώς και τις συχνότητες που ανιχνεύονται στη φασματική ανάλυση FFT. Για το υγρό W/NaCl κατέστη δυνατό να συσχετισθεί η μέση διάμετρος φυσαλίδων με τη κλίση του φάσματος FFT, μέσα από μια σχέση με αδιάστατους λόγους. Τα in vivo πειράματα έδειξαν πως η αγωγιμομετρική τεχνική έχει την απαιτούμενη ευαισθησία για να ανιχνεύσει φυσαλίδες μεγέθους 30±10 μm τόσο σε υποκατάστατο ιστού όσο και σε φλέβα χοίρου με εξωτερική επαφή ηλεκτροδίων. Από τις οπτικές μετρήσεις προέκυψε πως τα μεγέθη φυσαλίδων ελαττώνονται με την αύξηση της συγκέντρωσης επιφανειοδραστικής ουσίας και ηλεκτρολύτη, καθώς και της παροχής υγρού. Αντίθετα, η αύξηση της παροχής αερίου μεγαλώνει τις φυσαλίδες, ενώ το ιξώδες δε φαίνεται να επηρεάζει τις κατανομές μεγέθους φυσαλίδων. Το ε αυξάνεται με την αύξηση της συγκέντρωσης επιφανειοδραστικής ουσίας και της παροχής αερίου, ενώ ελαττώνεται με την αύξηση της παροχής υγρού. Για τις μικρές φυσαλίδες στο υγρό W/NaCl προέκυψε πως το μοντέλο ομογενούς ροής προβλέπει ικανοποιητικά τις πειραματικές τιμές του ε. Στην περίπτωση των μεγάλων φυσαλίδων, το μοντέλο ‘drift-flux’ με πρόβλεψη των C₀ (παράμετρος κατανομής) και Vd (ταχύτητα ολίσθησης) από την εργασία των Hibiki & Ishii (2002) δίνει τιμές ε που συμφωνούν με τις πειραματικές τιμές για τις δύο μεγαλύτερες παροχές υγρού. Εξάλλου, όταν στο μοντέλο ‘drift-flux’ εισάγουμε πειραματικές τιμές Vd, ή υπολογισμένες τιμές από τις σχέσεις των King (2001) (ε>~0.03) και Rodrigue (2001) (ε<~0.02) και τιμή C₀ 1±0.1, προκύπτει ικανοποιητική συμφωνία των θεωρητικών και των πειραματικών τιμών.