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Type: TESE DIGITAL
Degree Level: Doutorado
Title: Modelagem numérica de microfluídica através do método lagrangeano sem malha smoothed particle hydrodynamics
Title Alternative: Numerical modeling of microfluidic through the smoothed particle hydrodynamics mesh-free lagrangian method
Author: Patiño Nariño, Edgar Andres, 1986-
Advisor: Ferreira, Luiz Otavio Saraiva, 1956-
Abstract: Resumo: O transporte controlado de pequenas quantidades de fluidos é fundamental para desenvolver os laboratórios químicos em um chip (Lab-On-a-Chip, ou LOC, em inglês), ou seja, sistemas miniaturizados de crescente utilização na análise em áreas como Química, Bioquímica, Farmácia e Biologia, que tendem a substituir os atuais equipamentos analíticos. Os microdispositivos são essenciais para o transporte controlado e preciso de fluidos. Porém, ainda não foi desenvolvida uma metodologia para o cálculo do comportamento de fluidos em micro-dispositivos, existindo assim uma demanda por modelos numéricos capazes de realizá-lo. Esse trabalho apresenta a implementação do método sem malha Smoothed Particle Hydrodynamics (SPH) no desenvolvimento de um simulador 2D para problemas de escoamento de fluidos em micro-dispositivos. O simulador foi programado na linguagem C/C++ para processamento em CPU e na linguagem CUDA-C para processamento em GPU. O estudo da formulação SPH incluiu fenômenos como tensão superficial, multi-fase, capilaridade e molhabilidade para problemas com interação fluido-fluido e fluido-estrutura. As etapas de desenvolvimento do simulador computacional foram: Revisão de métodos de partículas Lagrangianos sem malha elegíveis para a modelagem da interação fluido-estrutura em micro-sistemas; Metologia e formulação das equações constitutivas para a descrição do comportamento do fluido, da estrutura e da interação fluido-estrutura usando SPH; Implementação de fenômenos caraterísticos para micro-fluídica como multi-fase (líquido-líquido) e tensão superficial e capilaridade; E modelagem numérica de microdispositivos para caso de estudo em micro-válvulas e micro-bomba peristáltica. Todas as implementações das formulações no simulador foram validadas através da comparação com resultados da literatura e da experimentação. Assim, o principal objetivo desse trabalho é apresentar o método SPH como uma alternativa na modelagem numérica de fluidos com interação líquido-líquido e líquido-estrutura em problemas de micro-fluídica

Abstract: Controlled transport of small amounts of fluids is critical for Lab-On-a-Chip, miniaturized systems of increasing use of chemical, biochemical, pharmaceutical and biological analyzes that tend to replace current analytical equipment. Micro-Devices are essential for controlled and accurate transport of fluids. However, a methodology for the calculation of fluid behavior in micro-devices has not yet been developed, and there is a demand for capable numerical models. This work presents the implementation of the Smoothed Particle Hydrodynamics (SPH) meshless method in the development of a 2D simulator for fluid flow problems in micro-devices. The simulator was programmed in the C/C++ language for CPU processing and CUDA-C language for GPU processing. The study of SPH formulation included phenomena such as surface tension, multi-phase, capillarity and wettability between fluid-fluid and fluid-structure. The steps of development of the computational simulator were: Review of non-mesh lagrangean particle methods eligible for modeling of fluid-structure interaction in micro-systems; Metology and formulation of constitutive equations for the description of fluid, structure and fluid-structure behavior using SPH; Implementation of micro-fluidic phenomena such as multi-phase (liquid-liquid) and surface tension and capillarity. All implementations of formulations and simulator validated by comparing results in literature and experimentation. Thus, the main objective of this work was to demonstrate SPH as a tool in the numerical modeling of fluids in liquid-liquid interaction and liquid-structure for the problems involved in microfluidic and micro-devices
Subject: Microfluidica
Mecânica dos fluidos
Fluidodinâmica computacional (CFD)
Language: Português
Editor: [s.n.]
Citation: PATIÑO NARIÑO, Edgar Andres. Modelagem numérica de microfluídica através do método lagrangeano sem malha smoothed particle hydrodynamics. 2017. 1 recurso online (254 p.). Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecânica, Campinas, SP. Disponível em: <http://www.repositorio.unicamp.br/handle/REPOSIP/330704>. Acesso em: 2 set. 2018.
Date Issue: 2017
Appears in Collections:FEM - Tese e Dissertação

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