Recently microscale biofluid flows have been receiving large attention in various research areas. However, most conventional imaging techniques are unsatisfactory due to difficulties encountered in the visualization of microscale biological flows. Recent advances in optics and digital image processing techniques have made it possible to develop several advanced micro-PIV/PTV techniques. They can be used to get quantitative velocity field information of various biofluid flows from visualized images of tracer particles. In this paper, as new advanced micro-PIV techniques suitable for biofluid flow analysis, the basic principle and typical applications of the time-resolved micro-PIV and X-ray micro-PIV methods are explained. As a 3D velocity field measurement technique for measuring microscale flows, holographic micro-PTV method is introduced. These advanced PIV/PTV techniques can be used to reveal the basic physics of various microscale biological flows and will play an important role in visualizing veiled biofluid flow phenomena, for which conventional methods have many difficulties to analyze.
A digital micro holographic particle tracking velocimetry (HPTV) system consisting of a high-speed camera and a single laser with acoustic optical modulator (AOM) chopper was established. The digital micro HPTV system was applied to water flow in a micro curved-tube for measuring instantaneous 3-D velocity field data consecutively. The micro curved-tube is using to reproduce the dorsal aorta or utilize in various lap-on-a-chip. The temporal evolution of a three-dimensional water flow in the micro curved-tube (the curvature, ${\kappa}$=1/${\phi}$, 2/${\phi}$, 4/${\phi}$, 8/${\phi}$) of 100 ${\mu}m$ and 300 ${\mu}m$ inner diameters was obtained and mean velocity field distribution was obtained by statistical-averaging the instantaneous velocity fields.
능동 유동 제어의 되먹임 신호 및 벽면 전단 응력 측정 등을 위해 벽면 유동 센서가 사용되고 있다. 본 연구에서는 광학 마우스에 사용되는 미세 영상 장치를 이용하여 벽면 근처에서 2차원 및 3차원 유체 속도를 측정할 수 있는 센서를 개발하였다. 미세 영상 장치에서 나오는 영상 신호 획득 시스템을 구축하고 획득한 영상에 입자화상속도기법과 초점이탈 영상기법을 적용하여 측정 영역에서의 산란 입자의 위치를 측정하였다. 모사 유동 실험을 통해, 개발된 벽면 유동 센서의 공간 해상도 및 측정 정확도를 검증하였고 기존 미세 영상 장치의 quadrature 신호 결과와 비교하여 입자화상속도기법을 적용할 경우, 측정 정확도 및 측정 범위가 확대되는 것을 확인하였다.
To investigate the flow related to the mixing, micro PIV measurements were performed in the middle plane of the channel. A passive micro mixer analyzed in this work has been designed in the shape of a three-dimensional microchannel and fabricated with PDMS molding process by KAIST. The mixing performance was evaluated for different flow rates using phenolphthalein and sodium hydroxide solutions. Results show that mixing is enhanced by the increase of flow rate, which yields stronger secondary flows with helical streamlines.
Three-dimensional (3D) velocity field information of a laminar flow in a curved micro tube of circular cross-section has been measured using a digital micro holographic particle tracking velocimetry (HPTV). The temporal evolution of instantaneous velocity field of a water flow in a curved micro tube of $100\;{\mu}\;m$ and $300\;{\mu}\;m$ in inner diameter was obtained. The 3D mean velocity field distribution was obtained quantitatively by statistical-averaging of instantaneous velocity fields. At low Dean number (De), a secondary flow was not generated in the curved tube. With increasing Dean number, the secondary flow constituted of two large-scale counter-rotating vortices was formed due to enhanced centrifugal force. To reveal the flow characteristics of high Dean numbers, trajectories of fluid particles were evaluated experimentally from the 3D velocity fields data measured by the HPTV technique. The present experimental results, especially the 3D particle trajectories, would be helpful to design and to understand the mixing phenomena in 3D curved passages of various curved micro-tubes or micro-channels.
To analyze in-vivo blood flow characteristics in a chicken embryo, in-vivo experiment was carried out using micro-PIV technique. Because endothelial cells in blood vessels are subject to shear stress of blood flow, it is important to get velocity field information of the placental blood flow. Instantaneous velocity fields of an extraembryonic blood vessel using a high-speed camera and intravital microscope. The flow images of RBCs were obtained with a spatial resolution of $20\times20{\mu}m$ in the whole blood vessels. The mean velocity field data confirm that the blood flow does show non-Newtonian fluid characteristic. The blood in a branched vessel merged smoothly without any flow separation into the main blood vessel with the presence of a slight bump. This in-vivo micro-PIV measurement technique can be used as a powerful tool in various blood flow researches.
International Journal of Aeronautical and Space Sciences
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제7권2호
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pp.128-136
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2006
The present study examined the effects of micro leading-edge flaps on the vortex characteristic changes of a double-delta wing through pressure measurements of the wing upper surface and PIV measurements of the wing-leeward flow region. The experimental data were collected and analyzed while changing the deflection angle of the leading-edge flaps to investigate the feasibility of using micro leading-edge flaps as flow control devices. The test results revealed that the leading edge modification could greatly alter the vortex flow pattern and the wing surface pressure of the delta wing, which suggested that the leading-edge flaps could be used as an effective device for the control of delta-wing vortex flow.
Synchrotron X-ray micro imaging technique was employed to non-invasively monitor the water flow inside xylem vessels in a bamboo leaf. The phase contrast X-ray images clearly visualized plant anatomy and the rise of a water front inside the vessels. Consecutive X-ray images taken for 60 seconds revealed water rise kinetics against gravity in the xylem of a cut dry leaf taken from a bamboo tree. For the first time, traces of water rise, variation of contact angle between water and xylem wall as well as the internal structure of xylem were obtained. In xylem vessels, a repeating flow pattern has a typical flow velocity of $30.7{\mu}m/s$ and faster flow is established intermittently. It is concluded that the transmission type of X-ray micro imaging can be used as a powerful tool to investigate the ascent of sap in the xylem vessels at a resolution higher than that of MRI.
한국가시화정보학회 2004년도 Proceedings of 2004 Korea-Japan Joint Seminar on Particle Image Velocimetry
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pp.65-74
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2004
Measurement of concentration distributions of suspended particles in a micro-channel is out of the most crucial necessities in the area of Lab-on-a-chip to be used for various bio-chemical applications. One most feasible way to measure the concentration field in the micro-channel is using micro-LIF(Laser Induced Fluorescence) method. However, an accurate concentration field at a given cross plane in a micro-channel has not been successfully achieved so far due to various limitations in the light illumination and fluorescence signal detection. The present study demonstrates a novel method to provide an ultra thin laser sheet beam having five(5) microns thickness by use of a micro focus laser line generator. The laser sheet beam illuminates an exact plane of concentration measurement field to increase the signal to noise ratio and considerably reduce the depth uncertainty. Nile Blue A was used as fluorescent dye for the present LIF measurement. The enhancement of the fluorescent intensity signals was performed by a solvent mixture of water $(95\%)$ and ethanol (EtOH)/methanol (MeOH) $(5\%)$ mixture. To reduce the rms errors resulted from the CCD electronic noise and other sources, an expansion of grid size was attempted from $1\times1\;to\;3\times3\;or\;5\times5$ pixel data windows and the pertinent signal-to-noise level has been noticeably increased accordingly.
This experiment has been carried out to measure the process of droplet formation between water phase fluid$(PVA\;3\%)$ and organic phase fluid(oil), Internal and External flow fields measured by a Dynamic Micro-PIV method Water-in-oil(W/O) droplets successfully generated at a cross junction and Y junction. Internal and external flow fields were measured when the droplet grew up, stretched and separated.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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