Thesis:

Numerical and experimental methods to study rheological properties in microfluidic systems

Los sistemas microfluídicos han ganado una atención significativa en los últimos años debido a su capacidad para manejar pequeños volúmenes de muestra con alta precisión, lo que los convierte en elementos esenciales en aplicaciones biomédicas, químicas y de ciencia de materiales. Un fenómeno clave que rige el comportamiento microfluídico es la tensión superficial, la cual desempeña un papel crucial en el control de las interfaces de fluidos y en la formación de gotas. Esta tesis se centra en el estudio de los fenómenos de llenado en sistemas microfluídicos utilizando el método Smoothed Particle Hydrodynamics (SPH), una técnica computacional libre de malla, idónea para simular flujos con superficie libre e interacciones multifase, y valida los resultados numéricos mediante mediciones experimentales. Para mejorar la precisión de las simulaciones SPH en la representación de los efectos de la tensión superficial, se introduce un modelo de potencial de pares escalable inspirado en las fuerzas de cohesión molecular. El modelo se calibra utilizando la ecuación de Young-Laplace y emplea un factor de escala que depende de la resolución de partículas y del volumen de fluido. Pruebas comparativas, como la esferización de un cubo de fluido, experimentos de caída libre y oscilación de gotas, validaron asimismo el modelo frente a resultados teóricos y experimentales. Las simulaciones se realizan con distintos niveles de discretización para evaluar la estabilidad numérica y la precisión. Además, el método propuesto se aplica a simulaciones de flujo microfluídico, particularmente en entornos de microcanales donde la viscosidad y los efectos interfaciales desempeñan un papel fundamental. El estudio busca mejorar la caracterización reológica utilizando plataformas microfluídicas mediante la integración de enfoques computacionales y experimentales. Se emplea análisis basado en imágenes para rastrear la propagación del frente de fluido, lo que permite determinar con precisión la viscosidad. También se investiga el impacto de las pérdidas de flujo en microcanales mediante la minimización de los tubos de conexión, con el fin de perfeccionar las metodologías de reometría en canal. Los resultados de esta tesis contribuyen al avance en el diseño de dispositivos microfluídicos y proporcionan un marco numérico robusto para el modelado de la tensión superficial en simulaciones SPH. Esta investigación tiene amplias implicaciones para la física de gotas, la dinámica del frente de fluido en microcanales y las aplicaciones de ingeniería microfluídica.

Microfluidic systems have gained significant attention in recent years due to their ability to handle small sample volumes with high precision, making them essential in biomedical, chemical, and materials science applications. A key phenomenon governing microfluidic behavior is surface tension, which plays a critical role in controlling fluid interfaces and droplet formation. This thesis focuses on the study of filling phenomena in microfluidic systems using the Smoothed Particle Hydrodynamics (SPH) method, a mesh-free computational technique well-suited for simulating free-surface flows and multiphase interactions, and validates the numerical results through experimental measurements. To improve the accuracy of SPH simulations in capturing surface tension effects, we introduce a scalable pair potential model inspired by molecular cohesion forces. The model is calibrated using the Young-Laplace equation and employs a scaling factor that depends on particle resolution and fluid volume. Comparative tests, such as spherization of a fluid cube, free-fall experiments, and droplet oscillation, also validated the model against theoretical and experimental results. Simulations are carried out through different levels of discretization to evaluate numerical stability and accuracy. In addition, the proposed method is applied to microfluidic flow simulations, particularly in microchannel environments where viscosity and interfacial effects play a crucial role. The study aims to improve rheological characterization using microfluidic platforms by integrating computational and experimental approaches. Image-based analysis is employed to track the propagation of the fluid front, allowing accurate determination of viscosity. The impact of flow losses in microchannels is also investigated by minimizing connecting tubes to refine in-channel rheometry methodologies. The results of this thesis contribute to advancing the design of microfluidic devices and provide a robust numerical framework for modeling surface tension in SPH simulations. This research has broad implications for droplet physics, fluid front dynamics in microchannels, and microfluidic engineering applications.