Search

A microfluídica tem origem recente e seu desenvolvimento é baseado em métodos microanalíticos. Definida como a ciência e tecnologia que aborda a manipulação de pequenas quantidades de fluídos escoando no interior de canais de dezenas a centenas de micrómetros, a microfluídica hoje tem uma diversidade de aplicação devido suas características de eficiência de controle. Neste trabalho, é brevemente abordado as aplicações da microfluídica, as características dos fenômenos físicos que a governam são elucidadas identificando as características gerais do escoamento, os fenômenos e adimensionais relevantes em estudos de escoamentos em canais na escala micro, bem como as propriedades interfaciais, que aparecem em sistemas multifásicos. Ainda é abordado a base matemática utilizada para estudo dos fenômenos de escoamento. As técnicas de fluidodinâmica computacional (CFD) são utilizadas como metodologia para o desenvolvimento, na intenção de superar os limites da experimentação em laboratório (observado aqui o controle do valor numérico das propriedades interfaciais). Para o estudo dos escoamentos microfluídicos multifásicos é utilizado o Modelo Multifásico de Volume de Fluído (VOF), o qual permite solucionar o escoamento de forma numérica e observar seu comportamento através das interfaces entre fluídos imiscíveis. Diante disto, neste trabalho, o modelo VOF foi validado com resultados experimentais, tanto quantitativo, quanto qualitativamente, com o intuito de prever todo o processo de geração de gotas no interior de microcanais. Adicionalmente, foi utilizado a técnica de Refino de Malha Adaptativo (AMR) para melhor rastrear a interface entre as fases fluídas. Os efeitos da geometria dos microcanais, das propriedades físicas do fluídos e das condições operacionais, sobre o tamanho e a taxa de geração das gotas foram avaliados por meio da técnica de regressão múltipla. Foi proposta, também, uma correlação adimensional para a previsão do comprimento de gotas no qual o erro relativo foi de 8.2%. Microfluidics has a recent origin and its development is based on microanalytical methods. Defined as the science and technology that addresses the manipulation of small amounts of fluids flowing into channels of tens to hundreds of micrometers, microfluidics today has a diversity of applications due to their characteristics of control efficiency. In this work, the microfluidics applications are briefly addressed, the physical characteristics phenomena that govern it are elucidated by identifying the general flow characteristics, the relevant phenomena and dimensionless studies of flow in channels on the micro-scale, as well as the interfacial properties, which appear in multiphase systems. The mathematical basis used to study the flow phenomena is still addressed. Computational fluid dynamics (CFD) techniques are used as a methodology for development, to overcome the limits of laboratory experimentation (observed here the numerical control of the value for interfacial properties). For the study of multiphase microfluidic flows, the Multiphase Fluid Volume Model (VOF) is used, which allows the flow to be solved numerically and to observe its behavior through the interfaces between immiscible fluids. Given this, in this work, the VOF model was validated with experimental results, both quantitatively and qualitatively, to predict the entire process of generating drops within microchannels. Additionally, the Adaptive Mesh Refining (AMR) technique was used to better track the interface between the fluid phases. The effects of the microchannel geometry, the physical properties of the fluids and the operating conditions, on the size and rate of droplet generation were evaluated using the multiple regression techniques. A dimensionless correlation was also proposed for the prediction of droplet length in which the relative error was 8.2%. Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior - CAPES

The present work describes the development of a parallel distributed-memory implementation, of an octree data structure, linked to an adaptive Cartesian mesh to solve the Navier- Stokes equations. The Finite Volume Method was used in the spatial discretization where the diffusive terms approximated by the central differences method. The temporal discretization was accomplished using the Adams-Bashforth method. Both temporal and spatial discretizations are of second-order of accuracy. The immersed boundary method was employed to represent immersed solid bodies in the flow and the Velocity-pressure coupling is done using the fractional-step method of two steps. Results, for sequential and parallel simulations, are presented both for the adaptive octree mesh and for a rectilinear mesh. Moreover, all simulated results were obtained using a external solver for the Poisson equation, from the pressure correction, in the fractional-step method. The numerical results are compared with numerical and experimental data, and the agreement between the two is found to be good. Apresenta-se, neste trabalho, o desenvolvimento e implementação de uma estrutura de dados paralela (memória distribuída), octonária, diretamente vinculada a uma malha cartesiana e adaptativa, para solução das equações de Navier-Stokes. As equações foram discretizadas espacialmente utilizando o Método de Volumes Finitos, com os termos difusivos aproximados por diferenças-centradas. A discretização temporal foi realizada por meio do método Adams- Bashforth que, assim como o método de diferenças centradas, possui segunda-ordem de exatidão. A metodologia de fronteira imersa foi utilizada para representação de corpos sólidos no escoamento e o acoplamento pressão-velocidades é feito com o método de passos-fracionados de dois passos. Resultados são apresentados tanto para a malha octonária adaptativa quanto para a uma malha retilínea, ambas em paralelo. Em ambas as implementações foram utilizadas bibliotecas externas para resolver o sistema linear resultante da equação de Poisson para correção da pressão no método de passos-fracionados. Os resultados determinados foram comparados com dados numéricos e experimentais, apresentando boa concordância. Doutor em Engenharia Mecânica

This thesis presents a computational framework for simulating three-dimensional two-phase flows based on adaptive strategies for space and time discretization. The method is based on the fronttracking method of Unverdi and Tryggvason (1992), and the discretization of the Eulerian domain is based on the SAMR strategy of Berger and Colella (1989). The time integration algorithm is based on the IMEX scheme, and the time step is calculated based on CFL criteria. The implementation of the Lagrangian framework relied on the GNU Triangulated Library (GTS), which provides a complete data structure and supporting functions for data access, remeshing tools and data output. The memoryless simplification algorithm of Lindstrom and Turk (1998) is used for surface remeshing, preserving the volume and shape of the interface. Nevertheless, additional tools for volume recovery were implemented, motivated by the non-conservative behaviour of the advection of the Lagrangian interface. This process may also induce some non-physical undulations on the Lagrangian interface, which was circumvented with the implementation of the TSUR-3D algorithm of Sousa et al. (2004). The methodology was applied to a series of rising bubble simulations, in which a single bubble rises in an initially quiescent liquid, and validated against experimental results (BHAGA; WEBER, 1981). The validation process consisted in comparing the terminal shape and Reynolds number, as well as the topology of the streamlines downstream of the bubble. Finally, the algorithm was applied to the simulation of two cases of bubbles rising in the wobbling regime, which is characterized by the continuous change in the bubble shape and complex patterns of vortex shedding. The use of adaptive mesh refinement strategies led to physically insightful results, which would not be possible in a serial code with a uniform mesh. Nesta tese apresenta-se um algoritmo para a simulação de escoamentos tridimensionais bifásicos, aliando-se o método de front-tracking de Unverdi and Tryggvason (1992) a estratégias adaptativas para a discretização espacial e temporal. A discretização do domínio Euleriano utiliza a metodologia SAMR (BERGER; COLELLA, 1989), enquanto o algoritmo de integração temporal utiliza o esquema IMEX com cálculo do passo de tempo com base em critérios CFL. A implementação da estrutura computacional Lagrangiana baseou-se na biblioteca GNU Triangulated Library (GTS), que fornece estrutura de dados completa e um algoritmo de remalhagem baseado técnica memoryless simplification algorithm, que garante preservação da forma e do volume da geometria (LINDSTROM; TURK, 1998). Ainda assim, ferramentas adicionais para recuperação de volume foram implementadas, devido ao comportamento não conservativo da advecção da interface Lagrangiana. Este processo também pode induzir ondulações não físicas na interface, o que foi contornado com a implementação do algoritmo TSUR-3D de Sousa et al. (2004). A metodologia proposta foi aplicada a uma série de simulações nas quais uma única bolha ascende em um líquido inicialmente em repouso. Os resultados foram comparados com dados experimentais de Bhaga e Weber (1981). A Validação foi feita comparando-se o número de Reynolds e a forma da bolha em regime terminal, bem como a topologia das linhas de corrente. Finalmente, o algoritmo foi aplicado à simulação de dois casos de wobbling, regime caracterizado pela mudança contínua da forma da bolha e por padrões complexos de liberação de vórtices. O uso de malhas adaptativas forneceu detalhes do escoamento que dificilmente seriam obtidos em um código serial com refinamento uniforme, pois demandaria uma resolução muito alta da malha. Doutor em Engenharia Mecânica

Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico The mathematical modeling of multiphase flows involves the interaction between deformable and moving geometries with the fluid in which they are dispersed (immersed). This kind of interaction is present in many practical applications. A common approach to handle these problems is the so called Front-Tracking/Front-Capturing Hybrid Methods. This methodology consists in separating the problem into two domains: an eulerian domain, which is kept fixed and is used to discretize the fluid equations of both phases, and a lagrangian domain, which is used to solve the equations of motion of the interface. Since there is no geometric dependence between these two domains, the method can easily handle moving and deformable interfaces that are dispersed in the flow. Following this line of research, the present work aims to capture accurately details of such flows by resolving adequately the relevant physical scales in time and in space. This can be achieved by applying locally refined meshes which adapt dynamically to cover special flow regions, e.g. the vicinity of the fluid-fluid interfaces. To obtain the required resolution in time, a semi-implicit second order discretization to solve the Navier-Stokes equations is used. The turbulence modeling is introduced in the present work through Large Eddy Simulation. The eficiency and robustness of the methodology applied are verified via convergence analysis, as well as with simulations of one-phase and two-phase flows for several Reynolds numbers. The results of two-phase flows, with one bubble and with multiple bubbles, are presented. The results obtained for a single bubble case are compared with Clift's shape diagram (Clift et al., 1978). A modelagem matemática de escoamentos multifásicos envolve a interação de geometrias móveis e deformáveis com o meio fluido que as envolve. Este tipo de interação faz parte de uma extensa lista de aplicações. Uma linha proposta para o tratamento num érico deste tipo de problema são os métodos híbridos Front-Tracking/Front-Capturing. Esta abordagem leva à separação do problema em dois domínios distintos (líquido/gás e líquido/líquido), um domínio fixo, euleriano, utilizado para discretizar as equações de ambas as fases, e outro móvel, lagrangiano, usado para as interfaces. Para o presente trabalho, na metologia utilizada, ambos os domínios são geometricamente independentes e não apresentam restrição quanto ao movimento e à deformação da fase dispersa. Seguindo esta linha, no presente trabalho propõe-se capturar detalhes deste de tipo escoamento, resolvendo adequadamente as escalas físicas do tempo e do espaço, utilizando malhas bloco estruturada refinadas localmente, as quais se adaptam dinamicamente para recobrir as regiões de interesse do escoamento (como, por exemplo, ao redor da interface fluido-fluido). Para se obter a resolução necessária no tempo, é usada uma discretização semi-implícita de segunda ordem para solucionar as equações de Navier-Stokes. A modelagem da turbulência é introduzida no presente trabalho via Simulação de Grandes Escalas. A eficiência e a robustez da metodologia implementada são verificadas via análise de convergência do método, bem como a simulação de escoamentos monofásicos e bifásicos para diferentes números Reynolds. São também apresentados resultados para escoamentos bifásicos com uma só bolha assim como para múltiplas bolhas. Os resultados de escoamentos mono-bolhas são comparados com o diagrama de forma de Clift et al. (1978). Doutor em Engenharia Mecânica