Análise de sistemas microfluídicos de gotas a partir de técnicas de Dinâmica de Fluidos Computacional (CFD)

Atualmente, o desenvolvimento e a otimização de microdispositivos têm recebido grande atenção por parte da comunidade científica, uma vez que suas aplicações desempenham papéis relevantes para a produção tecnológica, especialmente em aplicações biotecnológicas, como os dispositivos lab-on-a-chip. Nesse contexto, o estudo da microfluídica é necessário, uma vez que objetiva compreender fenômenos de fluidos aplicados à microescala, pelos quais tais dispositivos operam. Como uma importante técnica, a microfluídica de gotas surge com vasta aplicabilidade, permitindo a criação, manipulação e análise de pequenas gotas que podem servir como microreatores independentes para diferentes reações químicas, físicas e biológicas. Dessa forma, neste trabalho, objetivamos compreender o funcionamento de dispositivos microfluídicos, no que diz respeito à formação de gotas em microcanais, por meio do emprego de simulações computacionais que envolvam técnicas de dinâmica de fluidos computacional (CFD - Computational Fluid Dynamics). Para tanto, em um primeiro momento, procuramos avaliar a adequabilidade de um modelo computacional (VOF - Volume of Fluid) para o estudo da formação de microgotículas; além disso, com o ferramental computacional proporcionado pelo método VOF, objetivamos compreender como a geração de gotas é influenciada por parâmetros como velocidade de fluido e dimensão geométrica do microcanal. Ademais, procuramos entender, qualitativamente, o mecanismo de divisão de gotas sob condições de assimetria geométrica. As análises nos permitem delinear e classificar os regimes de escoamento em que se atuam os mecanismos de produção de microgotículas em diferentes condições físicas, além de validar o uso de ferramentas computacionais para a compreensão de sistemas microfluídicos.

Resumo (inglês)

Currently, the development and optimization of microdevices have received significant attention from the scientific community, as their applications play relevant roles in technological production, especially in biotechnological applications such as lab-on-a-chip devices. In this context, the study of microfluidics is essential, as it aims to understand fluid phenomena applied to the microscale, through which such devices operate. As an important technique, droplet-based microfluidics emerges with vast applicability, enabling the creation, manipulation, and analysis of small droplets that can serve as independent microreactors for different chemical, physical, and biological reactions. Thus, in this work, we aim to understand the operation of microfluidic devices regarding droplet formation in microchannels through the use of computational simulations involving Computational Fluid Dynamics (CFD) techniques. To this end, we initially seek to evaluate the suitability of a computational model, the Volume of Fluid (VOF) method, for the study of microdroplet formation; furthermore, with the computational tools provided by the VOF method, we aim to understand how droplet generation is influenced by parameters such as fluid velocity and the geometric dimensions of the microchannel. In addition, we seek to qualitatively understand the mechanism of droplet breakup under conditions of geometric asymmetry. The analyses allow us to outline and classify the flow regimes in which the microdroplet production mechanisms operate under different physical conditions, as well as to validate the use of computational tools for understanding microfluidic systems.

Palavras-chave

Microfluídica de gotas Microdispositivos Dinâmica de fluidos computacional Volume de fluido Droplet-based microfluidics Computational fluid dynamics Volume of fluid

Idioma

Português

Citação

SILVA, Felipe Santos Paes da. Análise de sistemas microfluídicos de gotas a partir de técnicas de Dinâmica de Fluidos Computacional (CFD). 2026. Dissertação (Mestrado em Ciência e Tecnologia de Materiais) – Faculdade de Ciências, Universidade Estadual Paulista (UNESP), Bauru, 2026.