Bachelor's Thesis

Cavitation in microfluidics

Text 2.29 MB Appendix 6.44 MB

Author of thesis: Bc. Martin Holub

Acad. year: 2015/2016

Supervisor: doc. Ing. Pavel Rudolf, Ph.D.

Reviewer: Ing. Jiří Kozák

Abstract:

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.

Keywords:

Microfluidics, Cavitation, CFD, μ-PIV, MEMS

Date of defence

15.6.2016

Result of the defence

Defended (thesis was successfully defended)

Grade

A

Process of defence

Student seznámil komisi s obsahem své bakalářské práce formou prezentace, kterou komentoval a zdůraznil dosažené výsledky. Následovalo přednesení posudků vedoucího i oponenta záměrečné práce. Následně bylo přistoupeno k otázkám přítomných členů komise, na které student reagoval dostatečným způsobem a po vyčerpání všech dotazů byla část obhajoby předsedkyní komise ukončena.

Language of thesis

English

Faculty

Department

Study field

Fundamentals of Mechanical Engineering

Composition of Committee

prof. RNDr. Milada Kozubková, CSc. (předseda)
doc. Ing. Pavel Rudolf, Ph.D. (místopředseda)
doc. Ing. Jaroslav Štigler, Ph.D. (člen)
doc. Ing. Simona Fialová, Ph.D. (člen)
Ing. Roman Klas, Ph.D. (člen)

Supervisor’s report
doc. Ing. Pavel Rudolf, Ph.D.

Student Martin Holub se ve své práci zabývá poměrně novým tématem – kavitací v oblasti mikrofluidiky. Po velmi zdařilé a vyčerpávající rešerši se věnuje CFD modelování dvou případů. Zdůrazňuji, že výpočty nejsou jen vyhodnoceny a prezentovány, ale student se snaží i o interpretaci a diskuzi výsledků. Je zajímavé, že spektrální analýza proudění pro různá kavitační čísla vychází přesně naopak než u kavitace ve větších měřítcích. Tyto překvapivé výsledky ještě budou muset být ověřeny dalšími výpočty na jemnější výpočetní síti. V poslední části BP je prezentován návrh experimentu pro ověření výpočtových simulací. Práce je svým rozsahem i obsahem nadstandardní, na úrovni práce diplomové. Navíc v dané problematice se v českém prostředí jedná o práci pilotní, která bude sloužit jako podklad pro další výzkum kavitujícího proudění v mikrofluidice.
Práce je psána velmi dobrou technickou angličtinou a je pěkná a přehledná i po stránce grafické.
Jsem velmi rád, že byla tak kvalitní práce na našem odboru zpracována, hodnotím ji stupněm „A“ a doporučuji k obhajobě.
Evaluation criteria Mark
Fulfilment of requirements and objectives of assignment A
Working process, extent and suitability of applied methods A
Scholarly contribution and originality A
Ability to interpret achieved results and draw conclusions A
Applicability of results in practice or theory A
Logical arrangement of thesis and its layout A
Grafic layout, used style and language level A
Work with used sources including quotations A
Student's independence when working on the topic A

Grade proposed by supervisor: A

Reviewer’s report
Ing. Jiří Kozák

Autor se v předložené bakalářské práci zabývá problematikou kavitace v mikrofluidice, tedy problematikou zajímavou a značně perspektivní.
Teoretická část bakalářské práce shrnuje současný stav poznání kavitace, jejího matematického popisu a modelování. Autor čerpal ze značného množství zdrojů.

Ve druhé části autor provádí CFD výpočty. K získaným výsledkům autor přistupuje kriticky, dokáže je interpretovat a v případě nesrovnalostí navrhnout potenciální řešení problému. V tomto bodě bych měl jedinou výhradu. Autor získané výsledky často normuje, což  samo o sobě není špatně. Problém vidím v tom, že maximální a minimální hodnoty veličin používané při normování nejsou uvedeny v popisech grafů. Matoucím dojmem pak působí zejména graf 8.5 na straně 37. Autor v textu uvádí, že v jisté části průtočného průřezu dochází ke vzniku zpětného proudění. Díky normování není tento fakt zcela zřejmý.
V poslední části práce autor předkládá návrh experimentálního zařízení pro výzkum kavitujícího proudění ve velice malém měřítku.
Poslední výtku bych měl k závěru. Autor v této kapitole pouze shrnuje obsah, nepředkládá ovšem vlastní závěry vyplývající z rešeršní a výpočtové části práce. Tyto informace jsou sice dohledatelné v jiných kapitolách, přesto mají své místo i v závěru.
Lze konstatovat, že práce je zpracována na velmi vysoké úrovni,  vychází z  kvalitních zdrojů a může sloužit jako dobrý zdroj informací při výzkumu kavitace v mikrofluidice.
Evaluation criteria Mark
Fulfilment of requirements and objectives of assignment A
Working process, extent and suitability of applied methods A
Scholarly contribution and originality A
Ability to interpret achieved results and draw conclusions A
Applicability of results in practice or theory A
Logical arrangement of thesis and its layout B
Grafic layout, used style and language level B
Work with used sources including quotations A

Grade proposed by reviewer: A