Experimental and Numerical Studies on Microfluidic Systems

El trabajo presentado en esta tesis se puede resumir como una compilacion de cinco estudios diferentes e integrales en el campo de flujos de microfluidos, relacionados con la formacion de chorros, gotas y burbujas; donde la tension superficial juega un papel importante. Los temas estudiados se clasifican en los capitulos en los que se presenta en forma individual la formulacion del problema, los procedimientos y resultados. El capitulo 2 esta dedicado a entender la evolucion de chorros capilares newtonianos y para estudiar la transicion de inestabilidad de chorros viscoelasticos bajo perturbaciones axilsimetricas. Un modelo matematico se ha utilizado para determinar las condiciones de los parametros para los cuales la transicion de inestabilidad convectiva a absoluta se lleva a cabo, prestando una atencion especial al papel desempenado por la tension elastica axial no relajada. El capitulo 3 presenta los resultados de un estudio numerico de riachuelos en microcanales para caracterizar los regimenes estables e inestables. El marco de trabajo teorico y analisis de estabilidad se presentan en detalle. Se encontro que un flujo basico puede convertirse en inestable cuando esta cantidad excede de un cierto valor critico, mientras que el resto de los parametros que gobiernan el problema permanecen constantes. Capitulo 4 discute un proceso omnipresente en la ciencia y la tecnologia - la disolucion de microburbujas. Al igual que en los capitulos anteriores, los enfoques teoricos y numericos detallados se desarrollan desde cero, que culminaron en una serie de experimentos cuidadosamente realizados. Los resultados numericos y experimentales concuerdan satisfactoriamente y se complementan entre si. Seguidamente, en el capiitulo 5, se estudia la irrupcion electrica de gotas liquidas pendientes. El tema central del estudio aqui es el comportamiento de gotas pendientes subitamente electrificadas en liquido dielectrico. Con el apoyo de resultados numericos y experimentales, argumentamos que la viscosidad del fluido circundante es responsable del desarrollo de los procesos de chorro mas complejas, como el regimen llamado ''Splashing'' en la que la punta del cono explota en una estructura con forma de seta y el regimen ''Splitting''. Por otra parte, cuando el cono se encuentra en uno de estos modos se comporta de tal manera que depende de las grandes propiedades de escala, tales como el tamano inicial de la gota y asi como de la tension aplicada. Asi, ademas del mecanismo bien establecido (universal) del ''tip streaming'', se han descubierto estos nuevos modos que abren un nuevo camino en el comportamiento del fenomeno fisico conocido como Electrospray. Por ultimo, en el capitulo 6 se presenta una serie de simulaciones numericas y experimentos realizados con un excelente acuerdo entre ambos. Se analiza un novedoso metodo de produccon de gotas de tamano significativamente menor que el orificio del cual emergen. Se presenta una discusion muy detallada de la plataforma experimental, incluidos los parametros importantes que deben tenerse en cuenta, como el menisco formado en el orificio y la deformacion de la placa de la placa del mismo durante los pulsos de presion. Finalmente, se obtuvo una ley de escala de la prediccion del tamano de las gotas producidas.